混合現場總線控制系統的實時性分析

朱耀春 宋 昉 劉 玲

(華北電力大學控制與計算機工程學院1，北京 102206;華北電力設計院工程有限公司2，北京 100120)

0 引言

現場總線技術以其高度的開放性、更高的傳輸精度和可互操作性在工業自動化領域獲得了越來越多的應用。許多分散控制系統(distributed control system，DCS)制造商為跟上形勢的發展，也將現場總線技術引入DCS系統，形成了同時集成現場總線設備和傳統模擬設備的混合控制系統［1－2］，如艾默生的 Ovation 系統、FoxBora的I/A系統等。

由于現場總線技術有很多種，所以這些控制系統需要引入多種類型的現場總線技術，如基金會現場總線(FF)、Profibus現場總線和DeviceNet現場總線等。這樣用戶在進行系統設計時，就可以根據綜合性能和價格等因素，選擇不同類型的現場總線設備來完成系統的集成。

作為工業應用，控制系統的實時性是反映系統優劣的一個非常重要的指標。雖然前人已對單總線系統的實時性作了一定的研究［3－6］，但對多總線系統的研究卻很少，所以對多總線系統的實時性分析是非常必要的。

1 系統構架

集成多種現場總線技術的DCS系統也可看作混合現場總線系統，其系統構架如圖1所示。

圖1 系統構架Fig.1 Architecture of the system

圖1中的控制站可通過符合不同現場總線協議的現場總線接口卡與現場設備進行數據交互。控制站可從一種總線協議的現場設備中獲取數據，然后進行分析計算，并將計算結果發送到另一種現場總線協議的現場設備中，形成閉環控制系統。

基金會低速現場總線(FF H1)和Profibus-DP現場總線是工業現場應用較多的兩類現場總線，且許多控制系統已經將它們集成在一起，如Ovation系統、I/A系統等，所以本文將以同時集成兩者的系統為例，對混合現場總線系統進行實時性分析。

2 FF H1總線實時性分析

基金會現場總線是為過程自動化系統的需求專門設計的現場總線，適合在流程工業的生產現場工作，其低速現場總線(FF H1)的通信速率為31.25 kbit/s。

FF H1總線的通信活動分為周期受調度通信和背景通信，這兩類通信共同組成宏周期。在一個宏周期內，周期受調度通信將總線上所有功能塊之間的鏈接通信完成一次，背景通信則將操作員需要監視的部分設備信息與操作站進行信息交換。這樣，具有時間重要性的控制信息可在受調度通信時間段內完成，不會因為總線繁忙而丟失數據，具有高度的實時性。若干個宏周期后，所有操作員需要監視的設備信息可通過背景周期與操作站全部交換一次，這個周期可稱為監控周期。

宏周期時間由鏈接通信、功能塊執行時間和背景通信構成，一般在幾百毫秒到1 s，監控周期則需要1～2 s，所以H1總線適合于熱工慢過程的控制。

宏周期可由式(1)進行估算［3－4］:

式中:TM為宏周期，ms;NE為總線上設備之間的功能塊鏈接次數;ND為設備數;TR為冗余時間，對于非冗余接口，其典型值為30 ms，對于冗余接口，其典型值為60 ms;1.2為時間余量系數。由式(1)可知，一條總線宏周期的大小由設備之間的功能塊鏈接次數、設備數和接口是否冗余來確定。對于一條特定的現場總線，這些參數值都是確定已知的。

宏周期可以根據需要進行手動調整，其中周期受調度通信的時間是固定的，背景通信的時間可以適當加長或縮短。宏周期縮短會縮短控制周期，但也會延長監控周期，因為操作站要完成一次所有設備的數據刷新，需要更多的宏周期。

現場總線組態軟件可以根據具體的系統硬件配置估算出一個宏周期時間，工程師在進行總線的宏周期配置時，應至少大于或等于估算的宏周期時間，這樣才不至于使系統的穩定性受到影響。

宏周期的典型配置值為 250 ms、500 ms、1 s、2 s 和5 s。控制回路的控制周期一般大于等于宏周期，多數情況下與宏周期相同。為了能有更直觀的認識，下面舉例說明宏周期的估算。

例如一個總線段掛接8臺FF H1現場總線設備，設備之間的功能塊鏈接次數為6，具有冗余接口配置，由式(1)可知，此總線段的宏周期TM的估算值為:

式中:180×1.2=216 ms用于受調度通信，8×60×1.2=576 ms用于背景通信，有0.2倍的余量。相對于每一個現場智能設備而言，在一個默認宏周期內可占用30×2=60 ms的背景通信時間。如果進行宏周期的典型值配置，則應該將總線的宏周期設置為1 s。

3 Profibus-DP總線實時性分析

Profibus-DP是面向工廠自動化和流程自動化的一種現場總線標準，適用于高速數據傳輸，其傳輸速度在9.6 kbit/s～12 Mbit/s之間可選，但對于同一現場總線網段，所有掛接的設備均需選用同一傳輸速度。

Profibus-DP總線的通信有周期性通信和非周期通信兩類。周期性通信用于周期性數據交換，非周期通信用于參數賦值、操作等非周期性操作［5－7］。總線上所有設備都完成一次數據交換的時間稱為總線報文循環時間(message cycle time)，用TMC表示。

Profibus-DP總線報文循環時間與FF現場總線的宏周期概念不同。FF現場總線的宏周期時間由組態軟件進行設置，可手動微調，一旦設置好，總線的周期通信時間就成為一個固定值。Profibus-DP總線報文循環時間由時間固定的周期性通信和時間不固定的非周期通信組成。非周期通信根據當前非周期通信數據量的大小確定，周期性通信可通過總線波特率、從站的數量、I/O數據的總量以及從站需要的延遲時間估算。

為了便于分析，相關的符號定義列舉如下。

①Tbit為位(bit)時間，即總線上傳送一個位所需要的時間，其值為波特率的倒數。如當總線波特率為12 Mbit/s時，1Tbit=1/12000000=83 ns。

②Tsyn為同步時間，即每個站在接收下一個請求開始前必須等待的一個空閑時間，典型值為33Tbit。

③Tid1為等待時間，即主站在接收完最后一個響應位后，再發送下一位信息時必須等待的時間。該時間至少為Tsyn加上一個安全的余量，典型值為75Tbit。特殊情況下，當主站發送完最后一位請求信息后，沒有收到從站的響應信息，而再次發送下一個位請求開始信息前必須等待的時間，稱為Tid2。

④TSDR為從站延遲時間，即從從站接收到主站的請求到它發送第一個響應報文位前必須等待的時間。TSDR-min為最少的等待時間，其典型值為11個 Tbit;TSDR-max為最大的等待時間，該時間和波特率有關，如表1所示。

一般來講，從站接收報文之后進行報文處理的時間是相對固定的，但相對于Tbit的倍數則隨波特率的不同而不同，波特率越大，倍數越大。

表1 從站延遲時間Tab.1 Delayed time of the slave

⑤TTD為傳輸延遲時間，即一個位信息從發送到接收在物理介質上所延遲的時間。它主要和電纜的長度以及中繼器有關。對 Profibus-DP電纜來說，每100 m的延遲時間大約為0.5 μs。每個中繼器的延遲時間為1個Tbit。

⑥TMC為報文循環時間，其值為主站發送請求信息時間+TSDR+從站響應信息時間。

⑦TBC為總線循環時間，其值為TMC加上一些時間余量。在多主站系統中，它的值為各個單主站的TMC相加。單主站系統的報文循環時間如圖2所示。

圖2 單主站系統報文循環時間Fig.2 The message cycling time of single master system

DP總線報文中每一個字節的特征碼都由11位組成，即由1個起始位、1個停止位、1個校驗位和8個數據位組成［7］。對于Profibus，每個數據交換報文中除了數據單元外，還有9個字節的報頭和報尾(對于有可變數據字段長度的幀而言)。

由于同步時間Tsyn一般小于等待時間Tid1，所以在報文循環時間計算中只體現等待時間即可。單主站報文循環時間TMC的估算公式如式(3)所示。

總線循環時間TBC是TMC加上余量的結果，余量一般加20%～50%，用于非循環數據的通信或總線延遲時間或其他。對于多主站和冗余接口系統，總線循環時間TBC是多個主站TMC之和。

例如，對于一個單主站Profibus系統，其鏈接有7個從站，每個從站都有4個字節的數據，且請求數據數量與響應數據數量相同。取典型情況下的波特率500 kbit/s，則由式(3)可知，報文循環時間計算如下。

考慮40%的余量且主站為冗余主站，則有:

可以看到，Profibus-DP的報文循環時間是非常短的，在十幾毫秒之內就可完成對所有從站的數據掃描。

4 混合總線實時性分析

采用混合現場總線的控制系統，可以分別發揮各自的優勢，如基金會現場總線比較擅長模擬量控制，Profibus總線比較擅長開關量控制。對于存在大量模擬量和開關量節點的工業系統，混合采用這兩種現場總線技術是一種比較可行的方案。

針對此類系統，如果要實現一個單回路閉壞控制系統，其PID控制模塊、過程變量輸入(AI)模塊和過程變量輸出(AO)模塊的位置分配方案如表2所示。

表2 功能塊位置配置方案Tab.2 Position configuration strategy of functional blocks

方案1:完成一個基本的控制周期，其數據流為FF總線設備→FF總線接口卡→控制站→FF總線接口卡→FF總線執行器。方案2:完成一個基本的控制周期，其數據流為FF總線設備→FF總線執行器。方案3:完成一個基本的控制周期，其數據流為FF總線設備→FF總線接口卡→控制站→PB總線接口卡→Profibus總線執行器。

在以上數據流中，“FF總線設備→FF總線接口卡”采用FF H1規范，速率為31.25 kbit/s;“FF總線接口卡→控制站”、“控制站→FF總線接口卡”和“控制站→PB總線接口卡”采用廠商I/O控制總線規范，速率一般都＞2 Mbit/s;“Profibus總線接口卡→Profibus總線執行器”采用Profibus-DP總線規范，速率一般≥500 kbit/s。相對于網絡通信，智能設備和主控制器內部的算法計算時間所需要的時間要少得多。

在以上方案中，由于方案1和方案2只采用FF H1規范，其實時性分析可參見前文的敘述。在方案3中，FF總線設備只進行過程數據的采集，控制站負責PID控制算法，Profibus總線上的電動執行器接收控制站的PID輸出。要完成閉環控制，數據流量需跨越不同類型的現場總線設備，所以有必要對其實時性進行進一步的分析。

設方案3中，FF現場總線段掛接4臺設備(一般為4～8臺)，設備之間的功能塊鏈接次數為4(每臺一個受調度點)，且接口冗余。Profibus-DP現場總線段掛接8臺設備(一般為8～16臺)，每個從站都有4個字節的數據，并取典型情況下的波特率500 kbit/s，接口冗余。則FF現場總線段的宏周期TM的估算值為:

進行軟件組態配置時，可取宏周期500 ms，即在500 ms內，4臺智能設備的受調度數據都可以實時地發送到控制站中。

Profibus-DP現場總線段的報文循環時間計算公式如下:

當為冗余接口且考慮40%的余量時，則有:

其他環節所消耗的時間比總線網絡通信段所消耗時間要小得多，所以不作分析。

由上述分析可知，控制回路各個部分的數據要刷新一次，至少需要500 ms，即由FF總線段的宏周期決定。由控制理論可知，控制回路的控制周期應該大于等于數據的采樣周期，這里數據的采樣周期等于數據的刷新周期，即控制器在進行控制周期設置時，至少要大于等于500 ms。

5 結束語

綜上所述，在由FF總線和Profibus總線組成的混合總線網絡系統中，與控制有關的實時數據刷新時間等于FF總線段的宏周期時間，由它們組成的閉合控制回路的控制周期至少應等于FF總線段的宏周期或是它的倍數才有效。由于FF總線段的宏周期設置時間都在500 ms以上，所以這種結構只適合于熱工慢過程的控制。

有了對混合現場總線控制系統的實時性分析，工程設計人員在設計混合現場總線系統時，就可以根據分析的結論，配置合理的總線參數，設計出一個更加安全有效的現場總線控制系統。所以混合現場總線控制系統的實時性分析，為工程設計人員設計混合現場總線控制系統提供了重要的參考依據，具有重要的理論價值和實用價值。

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