CN101834893B - 一种工业多单元一致通讯网络的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种工业多单元一致通讯网络的控制方法，属于工业自动化控制领域。将多单元分节点为多层节点布置，每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上；每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，然后再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号。本发明对所有单元进行分层次通讯管理，从而在大型网络如千点以上实现普通单一串行口通讯难以实现的长距离且高同步性的工控要求，可实现对多单元进行同步一致性控制。

Description

一种工业多单元一致通讯网络的控制方法

技术领域

本发明涉及一种通讯网络技术领域，是一种工业自动化控制中多单元动作协调一致性的数字化通讯网络结构，属于工业自动化控制领域。

背景技术

在工矿、纺织业等自动化控制和生产中，往往有很多设备需协调一起工作。其中很多工况是在时间上要求有先后动作，但还有一些情况下多台设备的动作被要求在时间上有一致同步的能力。如在纺织工业中，细纺机的机锭是最大量使用的设备。在早期设备中，通过机械齿轮及皮带轮传动，每个机锭的转速都同步于主驱动轴，这样可以保证所有生产的机锭上的细纱都粗细一致，弹性一致，质量一致。在新一代设备改造中机械齿轮传动被发觉笨重，效率低，转速低，导致生产操作者工作环境差等问题，从而有了取代电气驱动来给每个纱锭用微型电机驱动的需要。当纱锭数量庞大时所有锭机的动作一致性问题就显得非常突出。

这是一个典型的工业上多单元一致性问题，中央控制设备通过软件数字化通讯将控制目标，机群的同步速要求，下达给所有锭机单元，同时希望所有锭机单元在完成任务时把自己的工况如工作电流，温升等反馈给自己从而进行分析，综合其他控制因素来决定机群下个时断的工况。这里有一个关键的制约因素就是通讯要花费时间。虽然现代工业的通讯标准已经允许的波特率已经很高了，如SPI同步外设接口通讯标准可达10Mbps(10兆位每秒)，又如RS485理论上可达35Mbps，但在有很多通讯节点并且彼此空间上跨越很长距离时，如200米以上的细纺机车，信息传输延时的问题就比较严重了。一个原因是所有通用的工业通讯标准都是串行方式的，这会导致节点数目乘以传输速度来完成信息的传递，另一个原因是长传输距离会降低可行的传输速度，如RS485在1200米的传输距离大致只有100Kbps。若新型细纺机车锭机数有500个，锭与锭之间有30厘米，相聚150米用RS485和500Kbps波特率为例，主控发令至所有锭机返回转速信息最快需16毫秒。若考虑通用的通讯协议如加含地址字节，节点数1000，这时间会是128毫秒。对于小转动惯量而转速高达25000RPM的锭机而言，以5％的机机转速差来估算这段时间里机机间的转圈差在2.66以上。

如果一个合理的通讯结构或方法能让主控在若干毫秒以内完成一遍机群同主控间的信息传递，主控就可以通过刷新速度目标来控制机机间转差在很小的范围，实现速度一致性。如何来设计这样的结构呢？这是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明目的是发明一种工业用，对多单元进行同步一致性的通讯网络控制方法。

本发明将多单元节点分为多层节点布置，每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上；每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，然后再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号。

本发明对所有单元进行分层次通讯管理，从而在大型网络如千点以上实现普通单一串行口通讯难以实现的长距离且高同步性的工控要求，可实现对多单元进行同步一致性控制。

具体方法是用差动式传播的标准如RS485来解决长距离的第一层通讯节点和中央控制间的通讯，每个第一层节点用另一串口标准如SPI来管理其下第二层单元节点们的数据通讯，每个第二层节点用另一串口标准如I2C来管理其下第三层单元节点们的数据通讯。如需要可扩充用其他串口标准如LIN等设置第四层，第五层结构。每一层都可视具体情况来选用标准，如第一层可用CAN或RS442，第二层可用I2C而第三层用LIN等不同组合，这些都在本方法范围内。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

具体实施方式

如图1所示将多单元节点分为多层节点布置：每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上。每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号。

第一层各层通讯节点的数目：第一层通讯节点数目N1由系统控制可接受的最小传输回路时间Tdmax和其可行最大传输波特率B1决定。

公式为N1＝(Tdmax*B1/8)/(x+y)，这里x和y分别为主控发信和收信所需字节数，节点位置安排为间隙式安排。

共有三层节点时：

(N2-1)*x/B2+(N3-1)*y/B3＜(N1-1)*y/B1；

N1*N2*N3＝M

共有四层节点时：

(N2-1)*x/B2+(N3-1)*(x+y)/B3+(N4-1)*y/B4＜(N1-1)*y/B1；

(N3-1)*x/B3+(N4-1)*y/B4＜(N2-1)*y/B2；

N1*N2*N3*N4＝M

共有五层节点时：

(N2-1)*x/B2+(N3-1)*(x+y)/B3+(N4-1)*(x+y)/B4+(N5-1)*y/B5＜(N1-1)*y/B1；

(N3-1)*x/B3+(N4-1)*(x+y)/B4+(N5-1)*y/B5＜(N2-1)*y/B2；

(N4-1)*x/B4+(N5-1)*y/B5＜(N3-1)*y/B3；

N1*N2*N3*N4*N5＝M

其中N1、N2、N3、N4、N5分别是第一、二、三、四、五层节点数，B2、B3、B4、B5分别是第二层传输波特率、第三层传输波特率、第四层传输波特率、第五层传输波特率，M是所有节点的总数。

第一层通讯节点的数目：总数有M个单元的系统，在系统一致性同步操作要求下有最大允许单元间动作时间差Tdmax秒，最长的第一层节点距中央控制间通讯距离是L，使用通讯标准在传输距离为L时的最大波特率为B1，如RS485在1200米时最大传输速度为100000bps，第一层最大的允许数目为(Tdmax*B1/8)/(x+y)，记为N1，每个第一层节点辖下管理节点数目M/N1，记为P。这N1个节点应该在空间上这样安排：对于线性安放则每P个节点距离上安放一个第一层节点，对于环形安放每360/P角度上安放一个第一层节点。N1式中的来自于两个因素--一是一个字节长度为8个位，二是中央控制串行发信给每个第一层节点时用x个字节来包含完整信息，x＝1，2…同时节点回复主控用y个字节来包含一个完整信息，y＝1，2…。最快时x＝y＝1，N1为Tdmax*B1/16。

第一层节点和主控制间的通讯顺序应这样安排：主控发送完命令/数据给最近的第一层节点后，不要等待其回复直接发送命令/数据给下个次近的第一层节点，再下一个，如此重复直至最后一个第一层节点。在之后主控接受最近的第一层节点回复信息，然后次近的节点回复，如此下去直至最后一个第一层节点回复。这样的安排确保每个第一层节点都有相同的时间发送和接受信息给其下层节点。

第二层通讯节点的数目是按这样的原则选定的：P个节点通讯按可选用最快串口标准通讯在可安排的空间内所需时间是否能在(N1-1)*y*8/B1内完成。譬如若用SPI做第二层的通讯标准要考虑P个节点的间距及其可能最大波特率。当P是个小数，如3，SPI可用接近或超过1Mbps的速度进行通讯，所需最短通讯时间是不超过32微秒，对于一般工业控制而言已经满足需求，那么所有P个节点都可以属于第二层。但是如果P数目较大如30时，SPI的可用传输速度会降至100000bps左右，这30个节点所需时间就是3.2毫秒，整体的Tdmax就可能不满足工业需要，那么就要考虑设置第3层节点。当然第二层可以用其他的长距离传输标准如第二个RS485层网来避免大数P时的传输速度迅速下降问题，但这也属于前述的判断准则。在这种情况下有可能节省第3层节点但需每个单元有两条RS485接口，成本可能增高较多。在需要第3层节点时，在P个节点中选出N2个节点作为第二层，每N3个节点距离处或每360/N3度处放置一个第二层节点，N3＝P/N2。P和N2的数值要考虑可选的通讯标准来确保第二层最后一个节点访问完第三层最后一个节点的时间在(N1-1)*y*8/B1以内。令第二层波特率是B2，第三层波特率是B3，则(N2-1)*8*x/B2+(N3-1)*8*y/B3要小于(N1-1)*y*8/B1。这需B2/N2和B3/P在可安排的空间内和给定的N3*N2值下最大化。在B2和B3有显著上限的区别时可以其中低的上限来确定其层的波特率，然后让另一层配合。如第二层用SPI，第三层用I2C时由于SPI的速度可达10Mbps而I2C一般只可达400Kbps，那么就可让第3层的节点数不要增加到I2C的波特率掉到400Kbps以下，譬如所有I2C的节点在2米以内。若一个节点占据空间0.3米那么第3层就可安排6个节点而第二层可安排P/6个节点。这样SPI的传输速度基本就可设定为不超过5Mbps/(P/6*0.3)。这里遵循了信号波在导线中传输的上升沿/下降沿一般为每英寸需2纳秒的原则和考虑86％左右的平波期以保证信号的辨认。对于P＝48的情况，这个例子可达到1至2Mbps的SPI传输速度。将N2＝8，B2＝1000000，N3＝6，B3＝400000，x＝y＝1，带入(N2-1)*8*x/B2+(N3-1)*8*y/B3式中，最大传输时间不超过320微秒，是个很多工业应用中能接受的数字。当然第二层和第三层的通讯标准可以是很多种不同的非SPI或I2C的其他标准，具体的应用需具体对待。考虑的因素包含每个单元所用的微处理器的通讯接口及其成本，中继站驱动芯片的运用以增加传输速度，具体中央控制完成一个周期所需的变量数，每个单元及中央控制需要的用在其他非通讯的工作上处理器带宽，所属工业要求的通讯协议标准带来的额外通讯时间开销等。不论怎样，本声称给出包含这些应用对象的搭建多层工控网以满足其同步性一致性要求的通讯设计原则。

第二层节点的位置安排在使用差动式传播通讯标准时可以不按照前述的每N3个节点处安排一个二层节点，而是按照其他的空间方式安排，如每10米距离或100度安排一个节点然后以首尾相连的方式循环间插是安排相继同层节点以适应实际需要，以实际受控节点最大传输距离所定传输速度满足权利3所述设计原则为限。第3层节点位置安排类似。

第4层或第5层乃至更多层是指总数节点M很大或Tdmax很小时，为了获得更高的并行通讯以取得一致性的方法。其设计原则遵从前述的第2层和第3层设计原则。

第二层节点和其上层节点间的通讯顺序应按照权利3要求所述的第一层节点和主控间的通讯顺序安排方法来保证有序且最高的通讯速度。同样的顺序安排方法要用于第三层节点和其所管理的第四层节点通讯中，和第四层于第五层…如此类推直至最后一层节点不需要管理下层为止。

软件上第一层及其它各层节点需遵循向上及时服从向下及时管理的原则。中央控制的要求/数据通过通讯口下达到各个节点后，各个节点需立即将要求/数据在第一可行时间下达给下一层节点；下层节点在收到要求/数据后同样在第一可行时间下达给其下一层节点，如此类推下去至最底层节点。

如纺织机械中新型单锭单电机细纺机中央控制可按这种方式和通讯网络下达所有锭机同步旋转速度目标给所有锭机。最底层节点在接受到要求/数据后在第一可行时间将所需数据报告给其上级节点；上级节点在收到报告后将收到数据按照事先约定的方式处理和汇报给其上级节点，如此类推上去至中央控制收到所需数据。如所述细纺机底层锭机可汇报其负载下实际速度给其上级锭机，此上级锭机处理汇报自己及其管理底层所有锭机负载时实际旋转的最低速度给其上级，如此下去直至中央控制获得所有机群的最低转速而修改速度目标为这一转速，这样新的转速目标就可被所有锭机实现而稳定地运行在这一同步转速下，这样生产出的细纱质量就有了保障。

案例：采用本发明对棉纺细纱机单锭单马达控制：

1、采用三相永磁直流无刷电机可实现体积小转速高动态响应好同比下效率高的要求。电机额定工作点在25000RPM，20瓦。

2、控制器：

A.主要硬件：

i.功率器件采用高级MOSFET器件来减少损耗及实现快速导通及关断以实现精确控制。

ii.控制上采用高级微处理器来实现高要求的速度及通讯控制要求。

将选用一款32位的基于业内最高标准的ARM CORTEX内核的处理器以确保控制软件有强大的硬件支撑。

iii.连线接头分两类。一类是电机控制器与中央控制器间，另一类是电机控制器与电机控制器之间。为提高传输速度，接线将用带屏蔽线的低阻抗高质电缆。中央控制与电机控制器之间是一对多的型式。其中电气连接和信号线连接需分开以实现低阻抗的电气连接。

B.通讯方式

i.为提高动态响应和最大1120锭联机工作的目标，通讯分3个层次。如图1所示。

ii.第一层是中央控制与锭群间通讯，将使用RS485的通讯来实现长距离实时控制。目标长度是首锭群与末锭群间隔448米，这要求锭锭间距不大过0.4米。传输速度目标为400KBPS。最大共有32群。每群最多35锭。

iii.第二层是锭群内锭组间通讯，将使用SPI通讯方式实现短距离高速通讯。拟定每群最大5组，每组最多7锭。传输速度目标为1MBPS。

iv.第三组是锭组内通讯，将使用I2C通讯方式实现中高速通讯，最多7锭一组。传输速度目标为400KPBS。

v.这种分层的目的是消除主控与每一锭通讯时的回应时间累积，从而电机群系统控制中的最大延时环节不超过目标值，2毫秒。从而实现较高整体联动的一致性。

vi.通讯时，主控将要求的速度目标下达给群机首领，再下达给各自组首领，再下达给各自组成员。成员将实时速度及时反馈给组首领，组首领将成员最大和最小速度反馈给群首，群首再将最大及最小组速反馈给主控。主控应及时调低速度目标，尤其在出现成员力矩不够不能跟进时。这样可保证联动性，以牺牲一点整体的速度为代价。

C.速度控制

i.单锭实现闭环速度控制；

ii.锭锭小组间实现速度一致，只用主机有权刷新速度，而组首领无权自行降低组速。

iii.群速类同。

iv.单锭的闭环速度由电机侧霍尔器件反馈实现。稳态速度精度初定在1％，锭锭间稳态速度差初定在2％，动态速度差受电机转动惯量及通讯延时，机机的力矩表现差别等因素影响，但3层通讯设计很大程度上消除这一顾虑。

v.单锭启动时间及电机效率可由电机设计保证，控制器在电机力矩负载特性有余度时可调整加速特性以保证在6秒内平滑稳定加速至全速。

D.实时工况

单锭将测量电压，电流，转速，温度，根据需要通过通讯口反馈给主控。

Claims (4)

1.一种工业多单元一致通讯网络的控制方法，将多单元分节点为多层节点布置，每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上；每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，然后再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号；其特征在于：第一层通讯节点数目N1＝(Tdmax*B1/8)/(x+y)，其中，Tdmax为系统控制可接受的最小传输回路时间，B1为最大传输波特率，x和y分别为主控发信和收信所需字节数。

2.一种工业多单元一致通讯网络的控制方法，将多单元分节点为多层节点布置，每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上；每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，然后再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号；其特征在于：所述多单元分节点为三层节点布置时，

(N2-1)*x/B2+(N3-1)*y/B3＜(N1-1)*y/B1；

N1*N2*N3＝M；

其中，N1、N2、N3分别为第一、二、三层节点数，M是所有节点的总数，B1、B2、B3分别为最大传输波特率、第二层传输波特率、第三层传输波特率，x和y分别为主控发信和收信所需字节数。

3.一种工业多单元一致通讯网络的控制方法，将多单元分节点为多层节点布置，每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上；每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，然后再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号；其特征在于：所述多单元分节点为四层节点布置时，

(N2-1)*x/B2+(N3-1)*(x+y)/B3+(N4-1)*y/B4＜(N1-1)*y/B1；

(N3-1)*x/B3+(N4-1)*y/B4＜(N2-1)*y/B2；

N1*N2*N3*N4＝M；

其中，N1、N2、N3、N4分别为第一、二、三、四层节点数，M是所有节点的总数，B1、B2、B3、B4分别为最大传输波特率、第二层传输波特率、第三层传输波特率、第四层传输波特率，x和y分别为主控发信和收信所需字节数。

4.一种工业多单元一致通讯网络的控制方法，将多单元分节点为多层节点布置，每层节点以独立的串口分别连接下一层节点，相同层节点与上一层节点之间在空间上以等角布置，或相同层的各节点之间等距布置在同一直线上；每层节点以由近至远的顺序连续发信给其下的各个下层节点，然后再按由近至远的顺序接收其下的各个下层节点信号；其特征在于：所述多单元分节点为五层节点布置时，

(N2-1)*x/B2+(N3-1)*(x+y)/B3+(N4-1)*(x+y)/B4+(N5-1)*y/B5＜(N1-1)*y/B1；

(N3-1)*x/B3+(N4-1)*(x+y)/B4+(N5-1)*y/B5＜(N2-1)*y/B2；

(N4-1)*x/B4+(N5-1)*y/B5＜(N3-1)*y/B3；

N1*N2*N3*N4*N5＝M；

其中，N1、N2、N3、N4、N5分别为第一、二、三、四层节点数，M是所有节点的总数，B1、B2、B3、B4、B5分别为最大传输波特率、第二层、第三层传输波特率、第四层传输波特率、第五层传输波特率，x和y分别为主控发信和收信所需字节数。

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