CN1038739A - 实时过程控制系统的高性能存储图象网络 - Google Patents

Abstract

用于具有可发送和接收控制数据的很多站(12，32)的分布处理机控制系统的数据传输装置，包括在每站有效的控制串行通信总线上的控制数据的流通的通信处理机。该通信处理机(66)与功能处理机(70)一起接到双端上存储设备(68)，功能处理机执行该过程的实际操作是有效的。该通信控制处理机根据预定的安排组合控制数据帧(图4)也是有效的，该预定安排给出第一类数据对第二类数据的定时参考。

Description

本发明涉及以多个通信网络提供实时过程控制的方法和装置。更具体地讲，本发明涉及这样的一种过程控制装置，对于用多个、独立的通信网络控制的过程这种装置取得极快的响应时间，每个网络配置后相对任何其他的通信网络来说以非常快的方式工作。

在过程控制系统领域中，在工业自动化中最近的发展已包含从单个监视计算机控制的过程的自动化到使用专用的多个微处理机的分布系统的自动化，每个微处理机负责整个控制系统工作的一个小的方面。由于依靠这种更好分布的过程控制的方法，就产生了对在多个微处理机之间开发与改进通信方案的相当的需求，以保证该过程以及时的方法完成或执行。这样的一种分布过程控制的配置例子是Wesfinghouse    WDPF系统，该系统已广泛应用于工业过程控制操作，并在欧洲专利申请EP0132069和0130802号的说明书中讨论了。在这类系统应用到一种工业过程控制配置中，可以足够地提供0.1至1.0秒的响应时间。但是，对其他的工业过程控制配置，紧密地耦合的控制系统要求25毫秒或更少的响应时间是不能足够提供的。这种情况的产生是由于典型的数据库管理网络不太涉及原始通信速度，而涉及与数据库管理操作有关的总开销和与通信网络有关的通信规程。当然，在每个分布的过程控制单元，或者是利用微处理机，小计算机或者其它设备，控制算法或主控制程序将以它存取本地数据相同的方法从其他的单元中直接存取远端的数据;即直接从存储器中存取数据而没有时延或必须考虑该数据的实际源或目的地。

在要求提供相对快的响应时间过程控制系统中，在正被处理的该类数据和在该数据的使用中通常存在着很大的差异。而这种大的差异产生很宽频谱的数据传送速率。一般地，单个通信网络对于有限数量的数据可进行很高数据速率的寻址，或对于大量的数据以按比例减少的数据速率寻址。

过程控制系统的一个例子可以是用于轧钢操作的轧钢机过程控制系统，该系统在定时限制中对不同类型的数据可要求这样一个很大的差异。在这样的一个系统中，加工件，在本例子中加工件是钢板，从一个轧机组输送到另一个轧机组，钢板变成所要求的钢的确切规格的轧制过程要求在这些轧机组上的各个轧辊组件的速度和定位信息之间准确的配合，除了速度和定位信息迅速地配合之外整个轧钢机的操作也处理定时不是严格的信息;这种信息的一个例子是历史记录，该记录提供从整个系统的观点看该过程已如何操作的记录。

公认这一点需要对一些信息进行快速处理，可适用的现有技术的过程控制系统的一个例子用一个通信方案，因而接收和发送站的初始化是由连接链路而不是主控制单元完成的，这种例子在美国专利4177450号的说明书中叙述了。在这一专利中，所叙述的通信装置提供在连接链路上的活动由各个站监视，并根据预定的定时方案，当在链路上已没有活动时可以发送一个初始信号。此外，该发明公开了预定定时方案允许根据各个站的优先性对于不同的站倒换多次不同的置位。虽然这种方法在各个站之间提供某些数据通信的快速处理，但是建立定时方案所需的努力是大大地减小除了可能希望为了修改整个站的装置的灵活性之外，该方案看来是烦麻的。除外，这种方法只提供一种类型的通信处理方法而且不提供以不同的方法处理不同类别的数据，以便可进行对某些操作的更准确的数据处理。

在分配处理系统中使用多个处理机由于所取得的进展实现的另一个优点是以各种方法构成整个系统的能力，这些方法允许在工作特性和实际距离中独立的过程功能的有效互连。例如，多个处理机系统以在环形网络中公知的方法构成了，在该网络中许多处理机取下装置（drop）或站圆形地安排接到环形通信系统中。可以了解在工业应用的分布过程控制系统中，构成环形通信系统的电缆的实际长度可以是减少发送信息的效率这样的一个长度。因此，虽然在工业操作使用多个处理机结构可能复盖工厂的占地面积，但是必须注意实际的具体安排并不反过来影响在各个处理单元之间信息的有效通信，这些处理单元组成该系统。

另一个已经实现的多处理机分布处理结构通常称为星形结构，它的特点可以是用一个中央处理单元和多个卫星处理单元，卫星处理单元沿着不同的通信链路向外辐射延伸。一般地，在这种结构中，在星形中心的处理单元被指定为主处理机，通信和所有信息的处理必须通过主处理机协调。除了需要包括长的通信线路外，这样的结构通过主处理机传送信息必定减慢了在各个处理机单元之间的有效的信息通信。

由分布处理机过程控制系统组成的多处理机单元之间传输信息要求的时间可以认为至少部分地是实际的处理机器件或CPU使用原始数据速率的效率的函数，处理机器件或CPU构成各个处理机单元。可以了解，由于响应时间已变得更快，如果较好地利用该更快的响应时间，更多的处理机操作如指令或数据转送可以在较短的时间期间内完成。因此，如果多处理机分布处理控制系统的通信装置可以尽可能接近处理器件的原始数据速率，因而增加系统各个处理单元之间传输数据的速度，这是有好处的。通过较好地利用各个处理机单元之间传输数据的处理器器件的原始数据速率，在错误检测和校正技术方面可以获得进一步的优点。当取得了更快的通信装置，很明显，在需要准确执行过程的严格时间内，可以传送更多的数据。因此，通过提供固有的错误检测与校正技术的优点可以进行冗余通信。另外，在严格的时间期间内发送更多数据的能力也允许包括和被传送的基本数据一起的数据检验信息。

因此，本发明的目的是提供分布过程控制系统的通信装置，因而信息可被指定为优先的数据，并可在非常快的时间期间内传输到各个地点，该时间期间是相对于不指定为优先信息的信息或没有优先数据那样关键的信息而言的。

考虑这个目的，本发明提供用于传输数据的一种装置，该数据更新分布过程控制系统的多个处理机控制的站之间这种数据的预定定时优先性的功能至少已分为第一和第二类，上述通信装置包括：在多个站的每个站的通信处理机，它与通信总线进行信号通信，多个站是配置在该通信总线上;在多个站的每个站的双端口存储主件并连接至上述通信处理机的一个端口;与上述双端口存储元件的第二端口进行信号通信的控制处理机，并由此有效地进行分布过程控制系统的过程;其特征在于：上述通信处理器包括用于组装这种数据帧的装置，其中第一类数据指定为定时优先，以致所有的第一类数据在第二类数据之前传送;用于计算传送全部第一类数据的实际时间和从预选的定时目标中减去这个实际时间以确定定时差别的装置;和用于确定可在定时差别中传送的第二类数据的剩余部分的数量和将这些剩余量加到第一类数据中传送的装置。

该通信装置还可包括用于每次指定一个站的串行总线控制并允许以预定的优先顺序转送该总线控制到下一站的装置。该通信装置还可进一步提供用于检验从任何站始发的数据的新鲜和在一个预选的超时期间终止之后，确定总线控制的指定是否应从总线分配表中的第一站从新开始。

结合附图阅读优选实施例的叙述将更充分地了解本发明，其中：

图1是可应用本通信系统的过程示意图，部分以方框图的形式表示。

图2是根据本发明构成的过程控制系统的一个通信系统的功能方框图。

图3是在本发明的通信系统中使用的共享存储量分配格式的表格表示。

图4是在本发明的通信系统上传送的信息帧的数据格式的表格表示。

图5是本发明的通信系统的帧控制格式的表格表示。

本发明涉及具有多个相互关连的取下装置或站的分布过程控制系统的一个通信装置，其中不同类型的数据在不同的通信信道上传输，通信信道是根据由通信控制处理机实现的预定定时优先方案决定的。

在图1中所示的滚轧机过程设备配置仅是可应用本发明的工业过程的一个例子。用于这样一种设备配置中的过程控制系统必须对整个过程进行监视控制和对参数如滚轧部件12的速度和定位进行特别的、紧回路控制。用于滚轧机工作的现有规格控制系统的一个例子可在美国专利3892112号的说明书中找到。

在滚轧机工作中，在相邻的滚轧机组的控制参数之间要求精确的协调这是公知的。为了避免钢板2的伸长，紧压或弯曲，当钢板从一个滚轧机组20输送到下一个滚轧机组30时，需要快速校正那些控制参数测量值与预选值的任何偏差。可以了解，在滚轧机的过程中，如果第二套滚轧机32的速度比希望的速度高，后果将是钢板2的伸长，以致于在该钢板中产生结构损伤，如果速度偏差继续下去或实际上更坏，在该段钢中产生更明显的损伤。类似地，如果第二套滚轧机32的速度低于所希望的速度，则第一套滚轧机12实际上推钢板2，使该钢板弯曲，因为第二套滚轧机不能以所希望快的方法接受钢板2。

除了速度控制信号的精确控制之外，还需要精确地协调滚轧机的位置信号以便获得合适规格的钢。实际上，任何信息都可认为是控制数据;即在紧回路控制装置50的控制下必须包括直接影响滚轧机工作的控制的信息，该装置考虑在尽量短的时间期间内，一般在30毫秒数量级或更少，响应在期望值内的偏差。

因此，正如在图1中所看到的，常规的滚轧机系统具有很多滚轧机组，在本附图中指定为第一滚轧机组20和第二滚轧机组30，该滚轧机系统还包括传感器设备以测量被紧控制的数据的值，和控制设备以实现所希望的控制。第一马达14控制第一套滚轧机12的速度，如图所示，滚轧机12在常规的方法中包括一对后备滚轧机12a和一对工作的滚轧机12b。第一马达14可以是一大的直流马达，在滚轧机组20经速度控制设备18可控地激励以获得滚轧机12所需的速度。第一速度传感器16接到马达14，用于对紧回路控制装置50提供反馈信号，这是第一套滚轧机12速度的测量结果。第一滚轧位置控制设备22控制第一套滚轧机12的开口，工件，即钢板2，通过该开口传送。第一滚轧位置检测器24给紧回路控制装置50提供代表第一套滚轧机12的位置的测量信号。

类似于第一滚轧机组20的装置，第二滚轧机组30包括第二马达34，第二速度控制设备38和第二速度传感器36分别用于控制和监视第二套滚轧机32的速度。另外，第二滚轧机组30包括第二滚轧位置控制设备42和第二滚轧位置检测器44，分别控制和监视第二套滚轧机32的位置。

在图1中表示的紧回路控制装置50仅是本发明的通信装置的例子，它考虑把数据分成几类，以便可以根据发送该数据的定时优先性对一些数据予优先处理。虽然对滚轧机组的整个排在图1中以单个方框部件表示，但必须懂得，这个表示法表明该通信装置是在各站之间的一个共用的系统，在本例中以滚轧机组表示。正如下文将要更详细地讨论的，该通信装置包括在每个单个站的相似又不同的部件。

在图2中看出，本发明的通信装置包括一条串行通信总线60，构成分布过程控制系统的所有的站都接到该总线上。虽然说明了单个冗余通信总线60，但是本发明的意图是这条串行通信总线60是一条专用总线;即，这条串行链路只接受一定类型的数据，而所有其他数据必须在另一条通信总线上传输。在一个典型的过程控制系统中，应懂得有不同类型的数据，它们对定时及处理该数据的方法有不同的要求。举例来说，处理数据有非常不同的要求，该数据可以分类为控制数据，从中它又可分类为历史数据。在该控制数据的例子中，即，数据实现过程本身的控制或指示过程本身工作情况，时间，以更新分配处理机的存储设备内的数据，该数据必须是这样的，使得过程的操作不是反向地影响。另一方面，数据可用于更新显示信息，一个操作人员通过它监视过程的操作，该数据不必像控制数据那样在同样的时帧内更新。实际上，已经确定一些控制数据必须在5毫秒时间期间内更新，而另外的控制数据仅需要在30毫秒时帧内更新。但是历史或显示信息仅需要在响应时间100毫秒至1秒的时帧内更新，在该时间内在前提供的分布过程控制系统已工作。因此，从控制信息中分出显示信息是有好处的。这可以通过将传输这两类信息的通信总线分开来实现;但是目前公开的仅仅是说明传输控制数据的通信总线60。有关一个系统用于根据该数据分类为控制数据或历史数据来把信息分流到不同的通信总线的说明和工作可以在同时申请的分开的专利申请，名称为“使用多通信网络的实时过程控制”中找到。

图2中表示的串行通信总线60作为一个冗余系统示出;即，实际上提供了第一和第二串行总线60。第一串行总线60a和第二串行总线60b是相同的，并且在串行总线60a或60b中的这个或那个出现故障情况时仅提供相互备用。

为了实现双通信总线结构的益处，必须提供双收发装置62，它包括放置在每站的冗余的第一和第二收发设备62a和62b。冗余收发设备62接到冗余串行通信总线60a和60b，并提供各站至该通信网络的实际连接。如已说明的，收发设备62以同轴方式接到串行通信总线60;可以知道在收发设备62和通信总线60之间也可用光纤链路。

与每个收发设备62相连的是一个双通信调制解调器64，如图2所示，调制解调器也是一个冗余系统;即，在分布过程控制系统的每个站提供双数据通信调制解调器，用于将数据变换为或从串行格式变换，在串行通信总线60上使用串行格式。双数据通信调制解调器64包括第一和第二通信调制解调器64a和64b，而且还可配置以提供装置，用该装置从每个站发出的消息可被分离成像成帧信息的信息和循环冗余信息，成帧信息定出消息的边界，循环冗余信息提供对消息传输的错误检验能力。

从双通信调制解调器64，该数据被传输到通信控制处理机66，在本实施例中该处理机是一个高速、位片处理机，它控制串行通信总线60的分配，用作错误恢复和消息编格式，除外，控制在串行通信总线60a和60b上数据的实际传输和接收。

在通信控制处理机66的控制下，在串行通场总线60上发送和/或接收的信息被装入双端口共用存储设备68的第一端口68a，该共用存储设备对每个站是共用的。存储设备68提供装置，用该装置本发明可用于维持多个公共存储区的分布复份，下文将结合图3进行更仔细的说明。

接在存储设备68的第二端口68b的是一个功能处理机70，该处理机提供一个装置，分布过程控制系统的全过程由该装置执行的。为了这个公开，仅仅需要懂得，功能处理机70是编程的，根据控制数据执行预定的过程，控制数据从共用存储设备的第二端口68b可得到。另外，应该懂得，该功能处理机70也向存储设备的第二端口68b输出信息;在这个方向传送的信息包括指示该过程的状态的控制数据和正执行的控制操作。为了更详细地理解功能处理机70的工作情况，可以参考上述欧洲专利申请EP0132069号，其中叙述了具有一个功能处理机的分布过程控制系统的工作情况。

正如图2中所表示的，由分布过程控制系统执行的过程与本发明的通信装置的工作基本上不相关。虽然图1以轧钢机的工作说明该过程，但是可可知道，本发明的通信装置对其他类型的工业过程可以同等有效，这些过程认为根据该信息的定时优先性需要分开传输某些类型的信息。可应用本发明的另一个工业过程的例子是自动焊接工作，焊头相对于待焊的焊缝的定位必须根据响应时间跟踪到一个精确的程度。

结合图2以物理术语叙述的双端口存储设备68通过存储区的预选的结构可以使用一个公共存储区的多个分布副本。换句话说，存储的每个副本是相同结构的，并由本发明的通信装置不断地更新。用这种方法，本发明的通信装置可以不需要包括数据库管理信息和在该通信总线60上的数据滤波能力，因而只给通信总线60保留控制信息的通信。另外，与其说是以控制信息包括指示该控制数据的源和/或目的地为条件，倒不如说控制信息是以广播方式传输;即，在每个站提供相同地构成的存储副本，仅仅控制数据和代表数据必须装入的存储位置的存储偏移需要在串行通信总线60上传送。这种存储共用方法提供在每个站的存储设备68中保持相同的存储图。换句话说，每个站都有预选的特定的存储位置为所有的站保留在特定站发出的控制信息，而且该特定的存储位置都有相同的存储在其中的控制数据。

在图3中存储空间分配的表格图中可知道，存储设备68内存储空间的结构从具有零的存储偏移标志的存储空间开始。该存储偏移标志在图3右栏说明，而且只作为在双端口存储设备68内存储位置可指定的典型说明。在任何给定存储偏移位置从该存储区的开始来的控制数据在所有的站中是同样可变的。通信控制处理机66把控制数据从该站的存储设备中转移，该站向所有的其他站相同的有关的存储偏移位置发出该值。可以知道，存储偏移标志可以根据被控制的过程的应用需要和根据所用的存储设备的容量及类型而改变。

从存储偏移值零开始的存储空间留给指定参考号T100的控制表的，它给接到串行通信总线60的所有站提供共用的编格式的方法，控制表T100占用共用存储器的一个相连的存储块，包含控制和状态寄存器，这些寄存器用于初始化通信控制处理机60和在下文将要储细说明的诊断通信故障。该控制表T100还包含一个总线分配表（BAL），该表确定各站之间串行通信总线60的控制传递的顺序。另外，该控制表T100包含一个帧控制表，规定在每个消息帧中被广播的数据，并相对于图4进行说明。

在留作每个站的控制表T100的存储区之后，其空间是留作存储控制数据本身。如图3中结构的控制数据存储区由128个控制数据存储块构成的，其中每个数据块由128字的控制数据信息组成的。该数据块在各个站之间成对地分配，而且，包含由该站广播的所有数据和从所有的其他站接收的数据。应该知道，对于分布过程控制系统的不同应用，本发明的通信装置可以构成，使得一些站只接收控制数据，它们不向串行通信总线60返回广播任何控制数据。在这种情况下，单收站应包括和在图2中说明的相同的系统部件，并也应使用在图3中所示的相同的共用存储装置。

与一个特定站有关的控制数据被构成，以便占用存储空间的一对相连的存储块。正如在图3中看到的，控制数据的第一存储块从存储偏移（800X）开始，被指定为快速（FAST）控制数据的“n”字的第一存储块T101，这里n只代表一个整数值。控制数据的第二存储块T102代表控制数据的“m”字，指定为“不那么快”（not    quite    as    fast）数据（后面称为NQAF数据），这里m代表不同于FAST数据字的整数值n的一个整数值。正如前面已讨论的，本发明提供数据的每块包括128字的数据，如在图3中所示，它以每块数据的第一和最后一字表示。为了这个公开，假定可有两类控制数据，它们被称为FAST数据和NQAF数据。已经确定了，对典型的分布过程控制系统，在这两类控制数据之间的区别有一个有效的假设，由于需要更新FAST数据，典型地是在5毫秒时间期间内而更新NQAF数据，典型地是在30毫秒时间期间内。为了后面的讨论，5毫秒时间期间应认为是一个定时目标;即它是一个预定的时间，大多数关键的数据必须根据这时间对接到串行通信总线60的所有站的存储位置进行更新。

用一种方法来构成存储区，因而控制数据的相连块的各对留给特定的站，本发明提供一个简单的方法，用这方法可对整个系统进行修改，而对每个站的存储偏移标志不要求重大的修改。换句话说，存储空间留在将来使用，在对该系统加上附加的站时不需要转移已规定的数据。还应该懂得，各个站不限在每个单个控制数据块;对于一个单独的站，如果需要一个以上的控制数据块，应该给该站预先指定与在先指定的控制数据块有相连关系的数据块。但是给单个站指定多个数据块，必须懂得，可以处理控制数据的分布过程控制系统的站的数目不再等于可处理控制数据的数据块的数目。

把FAST数据T101的第一数据块和NQAF数据T102的第一数据块隔开的是FAST数据T101a的保留空间，它考虑控制数据的每块扩展到128字的最大容量。另外，把NQAF数据T102的第一数据块和FAST数据T103的第二数据块隔开的是NQAF数据T102a的一个保留空间。FAST数据的一个数据块的这种结构之后是FAST数据的一个保留空间，然后NQAF数据的下一数据块在该存储区内重复，直到数据的全部128数据块被指定，如图3中看到的，实际上产生了每类型数据的最块数据块是第64数据块。

在静态情况下，已经建立了每个站根据数据内容和存储器偏移标志保持一个相同的存储区，现在就关于图4讨论动态工作条件，以及每个站，以相同的方法汇编控制数据的帧。控制数据是本发明的通信装置数据传输的单位，其中每个控制数据帧给定特别的固定的数据长度，根据总线判决的令牌传输法经串行通信总线60传送。令牌通过装置构成使得在该令牌必须传输到控制数据的下一帧之前，如在总线分配表（BAL）中指定的那样，只有一帧控制数据被传送。换句话说，总线控制限于一个传输帧;占有该令牌的站被认为是临时的控制总线，当该站占有该令牌时它将传送一帧且仅仅一帧的控制数据。在传送那一帧控制数据的操作中，暗示着将该令牌转交给总线分配表（BAL）中的下一站。

总线分配表（BAL）是一个表格驱动的表，规定该令牌的一个逻辑循环。一旦本发明的通信装置已经启动，总线分配表（BAL）的内容就不能修改，因为在启动之后通信控制处理机66执行从公共存储区向与通信控制处理机66有关的在电路板上的存储器复制总线分配表（BAL）的操作。控制表T100占用公共存储区的第一区，它包括初始化总线分配表（BAL）的信息。为了这个讨论，假定总线分配表可容纳256帧时隙，虽然根据分布过程控制系统使用的存储设备的容量和类型可以用其他数量的帧时隙。256帧时隙相应于在一个令牌循环期间可以传送的最多的帧数。令牌循环从站的ID号码为总线分配表（BAL）的时隙1的站开始，该站将传送一帧的控制数据，然后将该令牌传给在总线分配表（BAL）的下一站。这个令牌传送操作将随着顺序的时隙继续下去，直到该表的结束，如以第256时隙或对时隙255的一个无效站ID表示。然后下一个令牌循环在该站开始之后立即就开始，那个站是在总线分配表（BAL）中指定时隙1的站。必须指出，一个站的ID号码进入总线分配表每个令牌循环多于一次，因此允许它作为控制总线每个令牌循环多于一次。已经确定实现5毫秒的定时目标对所有站更新FAST数据，每帧应包括60个控制数据字;因此，如果一个特别的站要求每帧控制数据多于分配的60字，该站要求每个令牌循环进入总线分配表应多于一次。

控制数据的帧的大小和格式是固定的，并在图4中说明了。通信控制处理机66根据帧控制表中提供的参数来构成控制数据帧，帧控制表将在下文结合图5详细说明。由帧控制表提供的信息连同总线分配表（BAL）提供的信息一起允许通信控制处理机66确定FAST和NQAF数据的位置，指定的传输时隙的数目和控制数据字的数目和类型，这些控制数据被组装到控制数据的每一帧。

在图4中可看到，控制数据帧从前显码开始，它占用整个第一帧部分T200和第二帧部分T201的一部分。前置码包括预先安排传输控制数据帧的串行通信总线60的信息。前置码考虑在所有的接收站通信调制解调器64的正确同步。同时占用第二帧部分T201的部分是打开标记信息，对本例以包括数据串（01111110）表示。打开标记表示传输一帧控制数据的开始。在该帧控制数据中的打开标记信息之后是第三帧部分T202，它包括令牌接收和传输信息。

该帧控制数据的下一部分包括FAST数据在帧部分T203的存储器偏移值，它指示在多个站的各个存储设备把FAST数据装入适应的偏移位置的开始位置。类似于在帧部分T203指示FAST数据的存储器偏移值，该帧控制数据还包括指示在NQAF数据的各个存储设备上开始的存储器偏移值的帧部分T204。帧控制数据的帧部分T205包括通信控制处理机66可以确定FAST和NQAF数据的字数的信息，这信息包括在这个特定帧的控制数据中。在这一点，必须指出，可以在单帧内传送的控制数据的字数被限制在60;因此，在确定FAST和NQAF数据的字数时，该数据应进入该帧控制数据中，给出用FAST数据填充该分布的字的优先选择，在所有的FAST数据都已存入以后，开始传输NQAF数据。在该帧中的控制数据的下一区专用于实际控制数据本身，帧部分T206至T208留作这个目的，如由帧部分T205的值确定的这个控制数据是FAST数据或NQAF数据。

在留给实际控制数据使用的帧部分之后，下一帧部分T209允许包括在该帧控制数据中的循环冗余检验（CRC）。循环冗余检验（CRC）是一种方法，用这种方法可以检验控制数据的完整性，因而可包括故障检测标志和实际帧的控制数据。填充入该帧控制数据的剩余帧部分T210是闭合标记（01111110），它可用来指示这帧控制数据的结束，因而可以把令牌转移到总线分配表（BAL）的下一站。

为了以图4所示的方式组成控制数据帧，本发明的通信装置使用在图5中提出的帧控制表。这个表是根据该通信装置可以容纳的控制数据块的数目构成的，而且说明提供包括在该帧部分中的信息所需要的数据总数。控制数据帧的数目和数据块的数目之间的关系是随该站发出的FAST和NQAF数据字的数目而定。正如前面讨论的，每站计算相连的2个控制数据块，每数据块包含128控制字。除了前面讨论的以外，一个控制数据帧可容纳多达60控制字。因此，如果一站只发出总共60字的FAST和NQAF数据，每个令牌循环可以传送一帧。在这个例子中，指定给这个站的二个数据块有相当数量的未用的存储空间，该空间将留着用于这个站的未来扩展。如果一站发出相当大数目的FAST和NQAF数据字，当然，这个站将传送更多帧的控制数据，并且必须从总线分配表中给这个站一个以上的令牌，其规定前面已讨论了。

对确定任何给定站控制数据帧的结构的上述考虑在帧控制表提出了，如图5所说明的。例如，发出该控制数据帧的站的识别和该站发出的字的数目和类型是由该帧控制表提供的。另外，该帧控制表还提供信息，需要该信息指示该特定的站在工作，而且还指示可包括在每个控制数据帧中的NQAF数据字的总数。如在图5看到的，这个信息是由适量的数据提供，如在右栏所说明的。帧控制表包括64数据块对的每一对的相同数量的信息。另外，帧控制表包括所有的64数据块对的这种信息，在每个站重复，因而每个站知道在每个站发出的

控制数据帧结构所进行的考虑。

本发明的数据通信装置提供有关差错恢复技术的附加特点。通过指定，具有总线分配表（BAL）中的前三时隙的所有站还包括特有的超时值，这个装置允许在三个不同的预定时间期间的一个期间在串行通信总线60上已是不工作的情况，令牌的循环将重新开始。如果三个站的超时期间的一个期间终止，称为重新开始传递。

（restart    handoff）的特别帧将被发送，该特别帧重新产生取下令牌（dropped    token）。对于被启动的本发明的数据通信装置至少前三个站的一个站必须是工作的。

在本结构中，数据通信装置支持具有64站的分布过程控制系统，这些站发出控制数据;但是，这个装置还支持总共254站ID号码，数据而不是控制数据也可以从本发明的串行通信总线经单独的通信总线传输。以这种方式，指定站的ID号码可以与该站是否发出控制数据无关。

在工作状态，本发明的通信装置用于在每个站监视通信控制处理处66。每个通信控制处理机66保持一组64计数器，每对数据块一个计数器。每次处理一个令牌传递（handoff），响应发送站数据块的计数器将预置在3。每个令牌循环一次，这些计算器递减1。如果计算器转变到零，则相应的“站在使用中”标记将复位，指示该站在最后三个令牌循环中没有发送。这意味着期望的数据是陈旧的而且使用时应适当注意。如果该计数器从零转变到三，“站在使用中”标记将置位，指示该站是存在的且在传送该令牌。这些“站在使用中”标记对功能处理机70是可用的，并可作为控制战略的一部分进行检验。

在工作中，一旦本发明的数据通信装置起动了，在每个站的通信控制处理机66计算在总线分布表（BAL）中分配给它的时隙数量。使用这个数目和这个站发出的FAST数据字的数量，通信控制处理机66计算FAST数据字的数量，这数目可放进控制数据的每帧中。另外，承认这个计算很可能在控制数据的最后一帧产生，该帧将具有一个额外的FAST数据字，通信控制处理机66也执行这个计算。其次，使用图5的帧控制表，通信控制处理机66把指定的NQAF数据字的号码放进控制数据的每一帧，直到剩下待发送的NQAF数据字少于在一个控制数据帧中允许字数。这剩余部分的NQAF数据字将和包括FAST数据的控制数据的下一帧一起发送。

用可以理解的例子可以更好地说明本发明的数据通信装置的工作情况，性能是以要求更新或翻新整个存储图的时间表示。根据更新时间是对FAST数据或NQAF数据，性能时间可被分开，而且可根据帧控制表中的信息测定。实际结果随计算结果变化仅仅很小，这个偏差是由于实际的信号传播时间产生的，对于本目的该时延只能估计。为计算FAST数据的更新时间（Rt），使用下列公式：

Rt＝（Bd＊Oh）+（（Fd+Sd）＊Dt）+（Bd＊Pd）+（Bn＊To）    （1）

式中：

Bd＝在该BAL中使用的帧时隙的总数;

Oh＝每帧的总开销对非冗余系统为97.4微秒或对冗余系统为110.3微秒;

Fd＝每个令牌循环被更新的FAST数据字的总数（所有的FAST数据）;

Sd＝每个令牌循环被传送的NQAF数据字的总数;

Dt＝在2MBps允许零插入的数据传输时间（8.12微秒）;

Pd＝传播时延估计0.15微秒（假定站之间为100英尺和1.5毫微秒/英尺）;

Bn＝保留的帧时隙的总数（备用-不能用）;

To＝无响应超时期间（110微秒）

应该指出，对上面的一个术语，数据传输时间（Dt），零插入损耗总开销的估计是根据在1040比特的10000伪随机比特流（最长的帧）进行模拟的。平均计算，零插入增加帧长度0.789%。这意味着经常串行通信总线60传送每个数据字需要附加0.06微秒。为了上面的计算，用二倍的这个值来增加差错容限。另外，对上面的另一术语，被传送的NQAF数据字的数量（Sd），必须根据下面的公式进行另一个计算：

Sd＝（B1×M1）+（B2×M2）+…+（Bn×Mn）    （2）

式中：

B1，B2，…，Bn＝指定给站1，站2，…站n的帧时隙的数量;

M1，M2，…Mn＝在站1，站2，等站中允许的NQAF数据字的数量。

为了计算NQAF数据的更新时间，应使用下面的公式：

Nt＝（Nm/Bm）×Rt    （3）

式中：

Nm＝这个站传送所有的NQAF数据字需要的整数帧数;

Bm＝在BAL表分配给这个站的帧时隙的数量。

一个特别站传送所有的NQAF数据字需要的整数帧数可由下列公式计算：

Nm＝（Wm+Mm-1）/Mm    （4）

式中：

Wm＝这个站NQAF字的数量;

Mm＝这个站每帧允许的NQAF字的数量。

这是一个整数运算而且将这个数向上取整数。

根据上面这些公式，可以对一个系统计算FAST数据和NQAF数据的更新时间，这个系统具有五个站和5毫秒的FAST数据的更新时间目标。另外对这个例子，将假设在总线分配表（BAL）中没有不用的站。这些站具有在下面列出的表1的第二和第三栏中所示的数据要求。每个站发送其FAST数据及其一些NQAF数据要求的时隙数如表1的第四栏所示。然后进行计算以确定在没有广播NQAF数据时FAST数据的更新时间。这个分布过程控制系统网络要求3.925毫秒去更新FAST数据图。

根据更新FAST数据5毫秒的定时目标，则将使用附加的时间（1.075毫秒）更新NQAF数据。然后这些附加的NQAF数据字尽可能均匀地分配，不超出60字帧的限制（见表1的第六栏）。对于每个站每个令牌循环更新的NQAF数据字的总数示于第八栏。重新计算存储器图更新值表明FAST数据存储器图每4.997毫秒更新一次，而每个站NQAF数据存储器图以第九栏指示的时间进行更新。

使用公式（1）与（2）和表1的数值，使用下列可变量来确定4.997毫秒的FAST数据更新时间：

Bd＝1+2+3+1+2＝9帧;

Fd＝40+80+121+30+90＝361字（FAST）

Sd＝（1×15）+（2×15）+（3×15）+（1×14）

（2×14）

＝132字（NQAF）

Pd＝0.15微秒/帧

Oh＝110.3微秒/帧

Dt＝8.12微秒/数据字

Bn＝0（没有保留的帧）

To＝每保留帧110微秒

对公式（1）得到下列结果：

Rt＝（9×110.3）+〔（361+132）×8.12〕+（9×0.15）+（0×110）

＝4.997毫秒。

附图中使用的编号的表示法：

图例    编号    图

M    14    1

T    16    1

速度控制    18    1

滚轧位置控制    22    1

滚轧位置控制    24    1

M    34    1

T    36    1

速度控制    38    1

滚轧位置控制    42    1

滚轧位置控制    44    1

紧回路控制    50    1

双收发器    62    2

双通信调制解调器    64    2

信息通路控制器    66    2

共用存储器    68    2

功能处理机    70    2

Claims (12)

1、在分布过程控制系统中多个站之间有效地传输数据的一种方法，包括下列步骤：

在每个站至少把数据分为第一类和第二类数据；

把上述第一类数据指定为快速数据；其特征在于：

预选一个定时目标，以这个定时目标至少必须对多个站的一部分站的所有的这种快速数据进行更新；

计算一个实际的时间，这种快速数据以这个时间进行更新；

确定这种定时目标和这种实际时间之间的时间差别；

计算可在这个时间差别期间传送的上述第二类数据的剩余部分的数量；和

把上述第二类数据的这个剩余部分数量加到在这个预定的定时目标期间传送的这种快速数据。

2、根据权利要求1的数据传输方法，其中上述数据在上述第一类数据和上述第二类数据之间被分开，作为出现在多个站的每一站的所有数据的预定的优先性指定的功能。

3、根据权利要求1的数据传输方法，进一步包括给多个站的一个站指定一条控制召线的步骤，用于传输一个数据帧，在这个传输之后，把这个控制总线传输总线分配表确定的下一站。

4、根据权利要求1的数据传输方法，进一步包括至少给多个站中的第一和第二站指定一个不同的超时期间的步骤，该第一和第二站是由该总线分配表中所列的多个站的顺序确定的，该不同的超过期间相应一个时间，在该时间之后如果已没有工作的通信总线，将出现数据传输的重新开始。

5、根据权利要求1的数据传输方法，进一步包括把从多个站的任何站发出的数据指定为陈旧的数据的步骤，如果一个节点在使用中标记置位指示在多个站的特定的一站的计数器已递减为计零零而没有从该站发出的更新的数据。

6、根据权利要求5的数据传输方法，其中上述计数器从计数3开始而且每次在所有的多个站的该数据的数据传输完成没有新的数据从一个特定的站发出时递减一个计数。

7、一种传输数据的装置，该数据至少已被分为第一类和第二类，作为分布过程控制系统的多个多理机控制的站之间更新这种数据的预定的定时优先性的功能，上述传输装置包括：

在多个站的每个站的一个通信处理机，它与配置多个站的通信总线单个通信，

在多个站的每个站的双端口存储器单元，而且一个端口接到上述通处理机;

与上述双端口存储器单元的第二端口单个通信的控制处理机，因而分布过程控制系统的过程有效的执行;其特征在于：

上述通信处理机包括用于组合这种数据帧的装置，其中第一类数据被指定一个定时基准，使得全部第一类数据在第二类数据之前传送;

用于计算传送全部第一类数据的实际时间和从预定的定时目标减去这个实际时间以确定定时差别的装置;和

用于确定在定时差别中可传送的第二类数据剩余部分的数量和把这个剩余部分数量加到被传送的第一类数据的装置。

8、根据权利要求7的数据传输装置，其中上述数据在上述第一类数据和上述第二类数据之间被分开，作为出现在多个站的每个站的所有数据的预定的优先性指定的功能。

9、根据权利要求7的数据传输装置进一步包括用于给多个站的一个站指定控制总线以便传输一个数据帧的装置，在这个传输之后，把这个控制总线传给总线分配表确定的下一站。

10、根据权利要求7的数据传输装置进一步包括用于至少给多个站中的第一和第二站指定一个不同的超时期间的装置，第一和第二站是由读总线分配表中所列的多个站的顺序确定的，该不同的超过期间相应一个时间，在该时间之后，如果已没有工作的通信总线，将出现数据传输的重新开始。

11、根据权利要求7的数据传输装置进一步包括用于把从多个站的任何站发出的数据指定为陈旧的数据的装置，如果一个节点在使用中标记置位指示在多个站的特定的一站的计数器已递减为计数零而没有从该站发出的更新的数据。

12、根据权利要求11的数据传输装置，其中上述计数器从计数可开始而且每次在所有的多个站的该数据的数据传输完成而没有新的数据从一个特定的站发出时递减一个计数。

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