專利名稱：一種工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通訊網(wǎng)絡技術領域，是一種工業(yè)自動化控制中多單元動作協(xié)調一 致性的數(shù)字化通訊網(wǎng)絡結構，屬于工業(yè)自動化控制領域。
背景技術：
在工礦、紡織業(yè)等自動化控制和生產(chǎn)中，往往有很多設備需協(xié)調一起工作。其中很 多工況是在時間上要求有先后動作，但還有一些情況下多臺設備的動作被要求在時間上有 一致同步的能力。如在紡織工業(yè)中，細紡機的機錠是最大量使用的設備。在早期設備中，通 過機械齒輪及皮帶輪傳動，每個機錠的轉速都同步于主驅動軸，這樣可以保證所有生產(chǎn)的 機錠上的細紗都粗細一致，彈性一致，質量一致。在新一代設備改造中機械齒輪傳動被發(fā)覺 笨重，效率低，轉速低，導致生產(chǎn)操作者工作環(huán)境差等問題，從而有了取代電氣驅動來給每 個紗錠用微型電機驅動的需要。當紗錠數(shù)量龐大時所有錠機的動作一致性問題就顯得非常 突出。這是一個典型的工業(yè)上多單元一致性問題，中央控制設備通過軟件數(shù)字化通訊將 控制目標，機群的同步速要求，下達給所有錠機單元，同時希望所有錠機單元在完成任務時 把自己的工況如工作電流，溫升等反饋給自己從而進行分析，綜合其他控制因素來決定機 群下個時斷的工況。這里有一個關鍵的制約因素就是通訊要花費時間。雖然現(xiàn)代工業(yè)的 通訊標準已經(jīng)允許的波特率已經(jīng)很高了，如SPI同步外設接口通訊標準可達10Mbps(10兆 位每秒)，又如RS485理論上可達35Mbps，但在有很多通訊節(jié)點并且彼此空間上跨越很長 距離時，如200米以上的細紡機車，信息傳輸延時的問題就比較嚴重了。一個原因是所有通 用的工業(yè)通訊標準都是串行方式的，這會導致節(jié)點數(shù)目乘以傳輸速度來完成信息的傳遞， 另一個原因是長傳輸距離會降低可行的傳輸速度，如RS485在1200米的傳輸距離大致只有 100Kbps。若新型細紡機車錠機數(shù)有500個，錠與錠之間有30厘米，相聚150米用RS485和 500Kbps波特率為例，主控發(fā)令至所有錠機返回轉速信息最快需16毫秒。若考慮通用的通 訊協(xié)議如加含地址字節(jié)，節(jié)點數(shù)1000，這時間會是128毫秒。對于小轉動慣量而轉速高達 25000RPM的錠機而言，以5%的機機轉速差來估算這段時間里機機間的轉圈差在2. 66以 上。如果一個合理的通訊結構或方法能讓主控在若干毫秒以內完成一遍機群同主控 間的信息傳遞，主控就可以通過刷新速度目標來控制機機間轉差在很小的范圍，實現(xiàn)速度 一致性。如何來設計這樣的結構呢？這是本發(fā)明要解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是發(fā)明一種工業(yè)用，對多單元進行同步一致性的通訊網(wǎng)絡控制方法。本發(fā)明將多單元節(jié)點分為多層節(jié)點布置，每層節(jié)點以獨立的串口分別連接下一層 節(jié)點，相同層節(jié)點與上一層節(jié)點之間在空間上以等角布置，或相同層的各節(jié)點之間等距布 置在同一直線上；每層節(jié)點以由近至遠的順序連續(xù)發(fā)信給其下的各個下層節(jié)點，然后再按由近至遠的順序接收其下的各個下層節(jié)點信號。本發(fā)明對所有單元進行分層次通訊管理，從而在大型網(wǎng)絡如千點以上實現(xiàn)普通單 一串行口通訊難以實現(xiàn)的長距離且高同步性的工控要求，可實現(xiàn)對多單元進行同步一致性 控制。具體方法是用差動式傳播的標準如RS485來解決長距離的第一層通訊節(jié)點和中 央控制間的通訊，每個第一層節(jié)點用另一串口標準如SPI來管理其下第二層單元節(jié)點們的 數(shù)據(jù)通訊，每個第二層節(jié)點用另一串口標準如I2C來管理其下第三層單元節(jié)點們的數(shù)據(jù)通 訊。如需要可擴充用其他串口標準如LIN等設置第四層，第五層結構。每一層都可視具體 情況來選用標準，如第一層可用CAN或RS442，第二層可用I2C而第三層用LIN等不同組合， 這些都在本方法范圍內。


圖1為本發(fā)明的一種結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示將多單元節(jié)點分為多層節(jié)點布置每層節(jié)點以獨立的串口分別連接下 一層節(jié)點，相同層節(jié)點與上一層節(jié)點之間在空間上以等角布置，或相同層的各節(jié)點之間等 距布置在同一直線上。每層節(jié)點以由近至遠的順序連續(xù)發(fā)信給其下的各個下層節(jié)點，再按 由近至遠的順序接收其下的各個下層節(jié)點信號。第一層各層通訊節(jié)點的數(shù)目第一層通訊節(jié)點數(shù)目m由系統(tǒng)控制可接受的最小 傳輸回路時間Tdmax和其可行最大傳輸波特率Bl決定。公式為附=汀(1111狀*81/8)/0^》，這里1和7分別為主控發(fā)信和收信所需字節(jié) 數(shù)，節(jié)點位置安排為間隙式安排。共有三層節(jié)點時(N2-l)*x/B2+(N3_l)*y/B3 < (Nl-I) *y/Bl ；N1*N2*N3 = M共有四層節(jié)點時(N2-1)*x/B2+(N3-1)*(x+y)/B3+(N4-1)*y/B4 < (Nl-I)*y/Bl ；(N3-1)*x/B3+(N4-1)*y/B4 < (N2-1)*y/B2 ；N1*N2*N3*N4 = M共有五層節(jié)點時(N2-l)*x/B2+(N3-l)*(x+y)/B3+(N4-l)*(x+y)/B4+(N5_l)*y/B5 < (NH) *y/ Bl ；(N3-1)*x/B3+(N4-1)*(x+y)/B4+(N5-1)*y/B5 < (N2-1)*y/B2 ；(N4-l)*x/B4+(N5_l)*y/B5 < (N3_l)*y/B3;N1*N2*N3*N4*N5 = M其中Ni、N2、N3、N4、N5分別是第一、二、三、四、五層節(jié)點數(shù)，B2、B3、B4、B5分別是
第二層傳輸波特率、第三層傳輸波特率、第四層傳輸波特率、第五層傳輸波特率，M是所有節(jié) 點的總數(shù)。
第一層通訊節(jié)點的數(shù)目總數(shù)有M個單元的系統(tǒng)，在系統(tǒng)一致性同步操作要求下有最大允許單元間動作時間差Tdmax秒，最長的第一層節(jié)點距中央控制間通訊距離是L，使 用通訊標準在傳輸距離為L時的最大波特率為Bi，如RS485在1200米時最大傳輸速度為 100000bps，第一層最大的允許數(shù)目為(Tdmax*Bl/8) / (x+y)，記為附，每個第一層節(jié)點轄下 管理節(jié)點數(shù)目M/m，記為P。這m個節(jié)點應該在空間上這樣安排對于線性安放則每P個 節(jié)點距離上安放一個第一層節(jié)點，對于環(huán)形安放每360/P角度上安放一個第一層節(jié)點。m 式中的來自于兩個因素--一是一個字節(jié)長度為8個位，二是中央控制串行發(fā)信給每個第一 層節(jié)點時用X個字節(jié)來包含完整信息，X = 1，2…同時節(jié)點回復主控用y個字節(jié)來包含一個 完整信息，y = 1，2…。最快時χ = y = LNl為Tdmax祁1/16。第一層節(jié)點和主控制間的通訊順序應這樣安排主控發(fā)送完命令/數(shù)據(jù)給最近的 第一層節(jié)點后，不要等待其回復直接發(fā)送命令/數(shù)據(jù)給下個次近的第一層節(jié)點，再下一個， 如此重復直至最后一個第一層節(jié)點。在之后主控接受最近的第一層節(jié)點回復信息，然后次 近的節(jié)點回復，如此下去直至最后一個第一層節(jié)點回復。這樣的安排確保每個第一層節(jié)點 都有相同的時間發(fā)送和接受信息給其下層節(jié)點。第二層通訊節(jié)點的數(shù)目是按這樣的原則選定的P個節(jié)點通訊按可選用最快串口 標準通訊在可安排的空間內所需時間是否能在(Nl-l)*y*8/Bl內完成。譬如若用SPI做第 二層的通訊標準要考慮P個節(jié)點的間距及其可能最大波特率。當P是個小數(shù)，如3，SPI可 用接近或超過IMbps的速度進行通訊，所需最短通訊時間是不超過32微秒，對于一般工業(yè) 控制而言已經(jīng)滿足需求，那么所有P個節(jié)點都可以屬于第二層。但是如果P數(shù)目較大如30 時，SPI的可用傳輸速度會降至100000bps左右，這30個節(jié)點所需時間就是3. 2毫秒，整體 的Tdmax就可能不滿足工業(yè)需要，那么就要考慮設置第3層節(jié)點。當然第二層可以用其他的 長距離傳輸標準如第二個RS485層網(wǎng)來避免大數(shù)P時的傳輸速度迅速下降問題，但這也屬 于前述的判斷準則。在這種情況下有可能節(jié)省第3層節(jié)點但需每個單元有兩條RS485接口， 成本可能增高較多。在需要第3層節(jié)點時，在P個節(jié)點中選出N2個節(jié)點作為第二層，每N3 個節(jié)點距離處或每360/N3度處放置一個第二層節(jié)點，N3 = P/N2。P和N2的數(shù)值要考慮可選 的通訊標準來確保第二層最后一個節(jié)點訪問完第三層最后一個節(jié)點的時間在(Nl-l)*y*8/ Bl以內。令第二層波特率是B2，第三層波特率是B3，則(N2-1) *8*x/B2+ (N3-1) *8*y/B3要小 于(Nl-I) *y*8/Bl。這需B2/N2和B3/P在可安排的空間內和給定的N3*N2值下最大化。在 B2和B3有顯著上限的區(qū)別時可以其中低的上限來確定其層的波特率，然后讓另一層配合。 如第二層用SPI，第三層用I2C時由于SPI的速度可達IOMbps而I2C —般只可達400Kbps， 那么就可讓第3層的節(jié)點數(shù)不要增加到I2C的波特率掉到400Kbps以下，譬如所有I2C的 節(jié)點在2米以內。若一個節(jié)點占據(jù)空間0. 3米那么第3層就可安排6個節(jié)點而第二層可安 排P/6個節(jié)點。這樣SPI的傳輸速度基本就可設定為不超過5Mbps/(P/6*0. 3)。這里遵循 了信號波在導線中傳輸?shù)纳仙?下降沿一般為每英寸需2納秒的原則和考慮86%左右 的平波期以保證信號的辨認。對于P = 48的情況，這個例子可達到1至2Mbps的SPI傳 輸速度。將 N2 = 8，B2 = 1000000，N3 = 6，B3 = 400000，χ = y = 1，帶入(N2_l)*8*x/ B2+(N3-l)*8*y/B3式中，最大傳輸時間不超過320微秒，是個很多工業(yè)應用中能接受的數(shù) 字。當然第二層和第三層的通訊標準可以是很多種不同的非SPI或I2C的其他標準，具體 的應用需具體對待。考慮的因素包含每個單元所用的微處理器的通訊接口及其成本，中繼站驅動芯片的運用以增加傳輸速度，具體中央控制完成一個周期所需的變量數(shù)，每個單元 及中央控制需要的用在其他非通訊的工作上處理器帶寬，所屬工業(yè)要求的通訊協(xié)議標準帶 來的額外通訊時間開銷等。不論怎樣，本聲稱給出包含這些應用對象的搭建多層工控網(wǎng)以 滿足其同步性一致性要求的通訊設計原則。第二層節(jié)點的位置安排在使用差動式傳播通訊標準時可以不按照前述的每N3個 節(jié)點處安排一個二層節(jié)點，而是按照其他的空間方式安排，如每10米距離或100度安排一 個節(jié)點然后以首尾相連的方式循環(huán)間插是安排相繼同層節(jié)點以適應實際需要，以實際受控 節(jié)點最大傳輸距離所定傳輸速度滿足權利3所述設計原則為限。第3層節(jié)點位置安排類似。第4層或第5層乃至更多層是指總數(shù)節(jié)點M很大或Tdmax很小時，為了獲得更高 的并行通訊以取得一致性的方法。其設計原則遵從前述的第2層和第3層設計原則。第二層節(jié)點和其上層節(jié)點間的通訊順序應按照權利3要求所述的第一層節(jié)點和 主控間的通訊順序安排方法來保證有序且最高的通訊速度。同樣的順序安排方法要用于第 三層節(jié)點和其所管理的第四層節(jié)點通訊中，和第四層于第五層…如此類推直至最后一層節(jié) 點不需要管理下層為止。軟件上第一層及其它各層節(jié)點需遵循向上及時服從向下及時管理的原則。中央控 制的要求/數(shù)據(jù)通過通訊口下達到各個節(jié)點后，各個節(jié)點需立即將要求/數(shù)據(jù)在第一可行 時間下達給下一層節(jié)點；下層節(jié)點在收到要求/數(shù)據(jù)后同樣在第一可行時間下達給其下一 層節(jié)點，如此類推下去至最底層節(jié)點。如紡織機械中新型單錠單電機細紡機中央控制可按這種方式和通訊網(wǎng)絡下達所 有錠機同步旋轉速度目標給所有錠機。最底層節(jié)點在接受到要求/數(shù)據(jù)后在第一可行時間 將所需數(shù)據(jù)報告給其上級節(jié)點；上級節(jié)點在收到報告后將收到數(shù)據(jù)按照事先約定的方式處 理和匯報給其上級節(jié)點，如此類推上去至中央控制收到所需數(shù)據(jù)。如所述細紡機底層錠機 可匯報其負載下實際速度給其上級錠機，此上級錠機處理匯報自己及其管理底層所有錠機 負載時實際旋轉的最低速度給其上級，如此下去直至中央控制獲得所有機群的最低轉速而 修改速度目標為這一轉速，這樣新的轉速目標就可被所有錠機實現(xiàn)而穩(wěn)定地運行在這一同 步轉速下，這樣生產(chǎn)出的細紗質量就有了保障。案例采用本發(fā)明對棉紡細紗機單錠單馬達控制1、采用三相永磁直流無刷電機可實現(xiàn)體積小轉速高動態(tài)響應好同比下效率高的 要求。電機額定工作點在25000RPM，20瓦。2、控制器A.主要硬件i.功率器件采用高級MOSFET器件來減少損耗及實現(xiàn)快速導通及關斷以實現(xiàn)精確 控制。ii.控制上采用高級微處理器來實現(xiàn)高要求的速度及通訊控制要求。將選用一款32位的基于業(yè)內最高標準的ARM CORTEX內核的處理器以確?？刂栖?件有強大的硬件支撐。iii.連線接頭分兩類。一類是電機控制器與中央控制器間，另一類是電機控制器 與電機控制器之間。為提高傳輸速度，接線將用帶屏蔽線的低阻抗高質電纜。中央控制與 電機控制器之間是一對多的型式。其中電氣連接和信號線連接需分開以實現(xiàn)低阻抗的電氣連接。B.通訊方式i.為提高動態(tài)響應和最大1120錠聯(lián)機工作的目標，通訊分3個層次。如圖1所
7J\ οii.第一層是中央控制與錠群間通訊，將使用RS485的通訊來實現(xiàn)長距離 實時控 制。目標長度是首錠群與末錠群間隔448米，這要求錠錠間距不大過0.4米。傳輸速度目 標為400KBPS。最大共有32群。每群最多35錠。iii.第二層是錠群內錠組間通訊，將使用SPI通訊方式實現(xiàn)短距離高速通訊。擬 定每群最大5組，每組最多7錠。傳輸速度目標為1MBPS。iv.第三組是錠組內通訊，將使用I2C通訊方式實現(xiàn)中高速通訊，最多7錠一組。 傳輸速度目標為400KPBS。v.這種分層的目的是消除主控與每一錠通訊時的回應時間累積，從而電機群系統(tǒng) 控制中的最大延時環(huán)節(jié)不超過目標值，2毫秒。從而實現(xiàn)較高整體聯(lián)動的一致性。vi.通訊時，主控將要求的速度目標下達給群機首領，再下達給各自組首領，再下 達給各自組成員。成員將實時速度及時反饋給組首領，組首領將成員最大和最小速度反饋 給群首，群首再將最大及最小組速反饋給主控。主控應及時調低速度目標，尤其在出現(xiàn)成員 力矩不夠不能跟進時。這樣可保證聯(lián)動性，以犧牲一點整體的速度為代價。C.速度控制i.單錠實現(xiàn)閉環(huán)速度控制；ii.錠錠小組間實現(xiàn)速度一致，只用主機有權刷新速度，而組首領無權自行降低組 速。iii.群速類同。iv.單錠的閉環(huán)速度由電機側霍爾器件反饋實現(xiàn)。穩(wěn)態(tài)速度精度初定在1%，錠錠 間穩(wěn)態(tài)速度差初定在2%,動態(tài)速度差受電機轉動慣量及通訊延時，機機的力矩表現(xiàn)差別等 因素影響，但3層通訊設計很大程度上消除這一顧慮。v.單錠啟動時間及電機效率可由電機設計保證，控制器在電機力矩負載特性有余 度時可調整加速特性以保證在6秒內平滑穩(wěn)定加速至全速。D.實時工況單錠將測量電壓，電流，轉速，溫度，根據(jù)需要通過通訊口反饋給主控。
權利要求
一種工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法，其特征在于將多單元分節(jié)點為多層節(jié)點布置，每層節(jié)點以獨立的串口分別連接下一層節(jié)點，相同層節(jié)點與上一層節(jié)點之間在空間上以等角布置，或相同層的各節(jié)點之間等距布置在同一直線上；每層節(jié)點以由近至遠的順序連續(xù)發(fā)信給其下的各個下層節(jié)點，然后再按由近至遠的順序接收其下的各個下層節(jié)點信號。
2.根據(jù)權利1要求所述工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法，其特征在于第一層通 訊節(jié)點數(shù)目附=(TdmaX*Bl/8)/(X+y)，其中，Tdmax為系統(tǒng)控制可接受的最小傳輸回路時 間，B1為最大傳輸波特率，x和y分別為主控發(fā)信和收信所需字節(jié)數(shù)。
3.根據(jù)權利1要求所述工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法，其特征在于所述多單 元分節(jié)點為三層節(jié)點布置時，(N2-l)*x/B2+(N3-l)*y/B3 < (Nl-l)*y/Bl ； N1*N2*N3 = M ；其中，Nl、N2、N3分別為第一、二、三層節(jié)點數(shù)，M是所有節(jié)點的總數(shù)，Bl、B2、B3分別為 最大傳輸波特率、第二層傳輸波特率、第三層傳輸波特率，x和y分別為主控發(fā)信和收信所 需字節(jié)數(shù)。
4.根據(jù)權利1要求所述工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法，其特征在于所述多單 元分節(jié)點為四層節(jié)點布置時，(N2-l)*x/B2+(N3-l)*(x+y)/B3+(N4-l)*y/B4 < (Nl-l)*y/Bl ； (N3-l)*x/B3+(N4-l)*y/B4 < (N2_l)*y/B2 ； N1*N2*N3*N4 = M ；其中，N1、N2、N3、N4分別為第一、二、三、四層節(jié)點數(shù)，M是所有節(jié)點的總數(shù)，B1、B2、B3、 B4分別為最大傳輸波特率、第二層傳輸波特率、第三層傳輸波特率、第四層傳輸波特率，x 和y分別為主控發(fā)信和收信所需字節(jié)數(shù)。
5.根據(jù)權利1要求所述工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法，其特征在于所述多單 元分節(jié)點為五層節(jié)點布置時，(N2-l)*x/B2+(N3-l)*(x+y)/B3+(N4-l)*(x+y)/B4+(N5-l)*y/B5 < (Nl-l)*y/Bl ； (N3-l)*x/B3+(N4-l)*(x+y)/B4+(N5-l)*y/B5 < (N2_l)*y/B2 ； (N4-l)*x/B4+(N5-l)*y/B5 < (N3_l)*y/B3 ； m*N2*N3*N4*N5 = M ；其中，N1、N2、N3、N4、N5分別為第一、二、三、四層節(jié)點數(shù)，M是所有節(jié)點的總數(shù)，B1、B2、 B3、B4、B5分別為最大傳輸波特率、第二層傳輸波特率、第三層傳輸波特率、第四層傳輸波特 率、第五層傳輸波特率，x和y分別為主控發(fā)信和收信所需字節(jié)數(shù)。
全文摘要
一種工業(yè)多單元一致通訊網(wǎng)絡的控制方法，屬于工業(yè)自動化控制領域。將多單元分節(jié)點為多層節(jié)點布置，每層節(jié)點以獨立的串口分別連接下一層節(jié)點，相同層節(jié)點與上一層節(jié)點之間在空間上以等角布置，或相同層的各節(jié)點之間等距布置在同一直線上；每層節(jié)點以由近至遠的順序連續(xù)發(fā)信給其下的各個下層節(jié)點，然后再按由近至遠的順序接收其下的各個下層節(jié)點信號。本發(fā)明對所有單元進行分層次通訊管理，從而在大型網(wǎng)絡如千點以上實現(xiàn)普通單一串行口通訊難以實現(xiàn)的長距離且高同步性的工控要求，可實現(xiàn)對多單元進行同步一致性控制。
文檔編號H04L29/06GK101834893SQ20101014913
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權日2010年4月19日
發(fā)明者周斌欣 申請人:揚州中凌自動化技術有限公司