CN104753899B - 一种具有多级扩展结构的开放性总线结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业控制现场总线技术领域，具体涉及一种在DCS控制系统使用的开放性多级扩展结构现场总线结构。该结构整体分为三个部分：总线物理层，总线链路层协议，总线多功能应用层。具有扩展结构的开放性多级总线系统与现有技术比较具有明显特点：可以在有限的时序周期下，完成大量设备数据通信。采用扩展结构的NIBUS现场总线可以满足与异构现场总线数据互通的需求，整个系统在高效的时序管理下，实现大量设备高效的时序管理和异构现场总线的无缝桥接，同时数据传输可以保持时间确定性特征。

Description

一种具有多级扩展结构的开放性总线结构

技术领域

本发明属于工业控制现场总线技术领域，具体涉及一种在DCS控制系统使用的开放性多级扩展结构现场总线结构。

背景技术

DCS作为第四代过程控制体系，包括多台计算机，多个智能设备仪表构成分散式的控制系统，系统内部的数据传输采用现场总线技术实现集中管理，分散控制的核心思想。

目前多数DCS对控制通信网络采用各自专用网络的封闭形式，不能和采用其他通信网络的设备实现网络互联和信息共享。本发明涉及的DCS系统引用了现场总线技术，由于当前现场总线标准各有不同，常用的总线就包括Profibus-dp,Modbus,CAN-BUS等，必然存在不同类型总线之间无法有效实现无缝数据通信桥接的情况，这种异构总线不兼容情况对整个DCS系统集成，系统扩容升级，甚至是系统维护带来极大不便。

在DCS系统中，最重要的是整个系统时序管理能力，即对系统中设备通信访问周期的控制时间有严格限制。在这一特殊需求下，系统中所有设备必须在受限制的周期内完成大量数据通信，控制系统的通信周期一般不能超过100ms。因此，当上百个现场设备接入系统时，如果每个设备通信间隔在1ms则整个系统通信周期将超过100ms，这意味着在有限的通信时序周期内无法完成所有设备数据通信，这个缺陷直接导致DCS系统中携带设备数量受到了限制。目前在DCS控制领域，急需一种能够在有限的通信周期和通信间隔下，完成大量设备通信的总线系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多级扩展结构的开放性总线结构，以解决在严格的时序控制下，系统控制器与多个现场智能控制设备，或者与多个异构总线进行双向数据传输时完成数据通信桥接控制的难题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种具有多级扩展结构的开放性总线结构，该结构整体分为三个部分：总线物理层，总线链路层协议，总线多功能应用层；

系统控制器作为一级主站和总线主干线构成第一级物理链路层，一级物理链路层上有现场设备一般从站，或者多个扩展母从站作为现场总线支线一起构成二级物理链路层，其中，每个扩展母从站同时作为二级主站，实现各自支线子站设备或者异构总线互联，子站设备和异构总线构成第三极物理链路层；

发明总线链路协议：提供一种完成多级扩展总线结构高效时序链路控制的数据链路协议完成总线链路协议的管理功能：完成干线链路层数据传输控制的同步时序数据链路管理协议；完成扩展从站支线与异构总线数据传输控制的二级扩展总线链路管理协议；完成扩展从站支线与同类型总线下扩容设备数据传输控制的二级扩展数据链路管理协议；

总线多功能应用层包括：数据实时库应用层；面向其他领域总线的开放性应用层接口；面向同领域总线的扩展数据传输控制层；面向同领域总线的数据传输控制层；面向整个总线的时序管理配置层；实时库应用层。

所述多级扩展结构的总线实现包括以下环节：

1.总线的主控制器作为系统主站，通过高速RS-485总线实现物理链路互联，总线的干线组成一级物理链路；

2.干线上所有从站，包括一般从站，同总线扩展母从站，异构总线扩展母从站一起构成了二级物理链路层；

3.所有扩展母从站的分支线，即不同类型扩展母从站的支线子站一起构成了三级物理链路；

4.在一级物理链路层，系统主站通过中的同步时序数据链路管理协议实现对干线上的所有一般从站和各类扩展母从站动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控制；

5.在二级链路物理层：DCS系统容量足够满足现场设备接入需求时，使用干线的一般从站完成现场智能单元的数据传输功能；

6.在二级链路物理层：当DCS系统的时序访问周期不能改变，但需要扩大系统容量时，则使用干线的同总线扩展母从站完成扩大现场智能设备数据传输，同时保证整个系统运行的时序访问周期不会明显增加而影响系统运行；

同总线扩展母从站的是为解决采用485高速总线技术而产生的由于自身物理介质特点造成现场设备控制时间和数量收到限制的问题，其物理介质特点体现在下三个方面：系统数据传输速率需要5Mbits/s；不支持长信息段（＞255字节）；系统要求通信负载率<30%；

负载率=每次传输的字节数/传输速度规定的字节数量；

传输速度规定的字节数量：即设备的通信速率，5M/2M/1M；

从公式可以分析，假如让整个总线在5M的传输速度下，通信负载率不超过30%，就必须让每次传输的字节数量控制在200字节以内最合适；数据传输时要满足物理介质特点，则必须对每次打包的规模进行计算和判断，保证每次数据传输符合系统要求；但是，某些现场智能设备的数据信息数量在50字节，系统携带大量这种现场设备，将数据传输给总线主站时，报文字节远远超过了物理介质的限定，不能正常通信；为解决以上问题发明了采用面向相同总线的扩展母从站；

7.在二级链路物理层：当DCS系统时序访问周期不能改变，并且需要接入不同种类总线的现场智能设备时，使用干线的异构总线扩展母从站完成接入不同类型的现场总线智能设备的功能；

8.不同类型的总线中，扩展母从站作为系统的二级主站，扩展的支线子站作为二级主站从属关系，一起接入总线系统；通过中的同步时序数据链路管理协议实现对支线上的所有子站的动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控制。

所述多级扩展结构的总线的通信协议包括以下环节：

1.总线的主干线和支线采用具有屏蔽双绞线的高速485技术，同时具有双通道冗余功能，总线的主干线和支线最大带宽为5Mbps；

2.在总线系统中，主站与各种类型的扩展母从站和一般从站、扩展母从站与支线子站，都采用同步时序链路管理协议，用于实现主从关系的各个设备动态链路管理功能，动态链路管理功能完成对从站时间确定性数据传输控制，同时完成动态带电插拔现场设备的实时管理功能；

同步时序是指在整个控制系统的扫描周期中，对每个现场设备采用相同的时间间隔扫描的时序控制方法；同步时序链路管理协议主要完成链路管理，通过读取所携带现场设备的逻辑地址和物理地址建立链路链表；链路管理在运行和计算过程中通过物理地址作为索引，为系统的主从关系数据传输和带电热插拔管理服务提供一种动态存储方式，同步时序链路管理协议可灵活的分配数据方便插入和删除数据；

同步时序链路管理协议具体方式是：首先每个现场智能设备定义唯一的逻辑地址，通过点对点的询问方式发送逻辑地址，现场从站收到自己的逻辑地址，就回复自己的逻辑地址和物理地址；通过同步时序链路管理协议的链路算法，提取物理地址加入链路；在主站中建立主干线的一般从站、扩展母从站链路；在扩展母从站中建立支线子站链路；

3.在总线系统主站下，采用同总线扩展母从站时，用二级扩展数据链路管理协议完成同总线扩展母从站数据传输控制和数据处理；

数据链路管理协议是为解决以下问题而设计：在系统扫描周期时间有限定，控制系统由于需要增加大量现场设备而出现大数据信息量交互时，总线不能每次正常传输足够现场设备信息的问题；

数据链路管理协议具有动态分包算法：把扩展母从站携带的支线子站，自动的按照最优方式动态的分包，即分成N个包发送N次，如果时间间隔为1ms，则扩展母从站完成携带子站周期发送要N*1ms,但是分包量一定控制在4个以内，这样可在做多增加4ms的短时间内，把大量的现场总线设备信息通过扩展母从站发送给主站；

整个算法计算中采用闭包功能，力求把控制指令和数据包装在一起，这样每个闭包完成好后，数据不会因为其他情况出现而轻易被改动，这样就实现了数据打包上锁功能；在实际链路中，会出现无法实现同步时序链路管理的问题：由于分包智能打包算法是基于链路搜索完成，同步时序链路管理协议正在进行时，带电热拔现场设备的操作，根据同步时序链路管理协议将拔出的现场设备剔除链路，但是在同步时序链路管理协议的搜索中可能仍然会按照之前的链路搜索，此时会出现索引指向链路节点是不存在的情况；

数据链路管理协议为解决以上问题设计了自检算法，在每次打包前更新链路，在打包过程中不断的对下一个搜索节点判断，出现空节点或者新插入节点时立即跳过该节点继续打包，完成正常的数据打包，经过测试该方法效率高，数据打包稳定；

4.在总线系统的主站下，采用异构总线扩展母从站时，用二级扩展总线链路管理协议实现对异构总线扩展母从站的数据传输控制和数据处理功能；

二级扩展总线链路管理协议分为两部分，分别是采用数据链路管理协议相同的动态分包算法和对异构总线协议的转换算法；

5.在总线系统的主站下，直接完成面向相同总线的一般从站通信，一般从站的动态链路管理和数据处理使用同步时序链路管理协议完成。

所述多功能应用层完成多级扩展结构在相同总线扩展链路传输控制，过程如下：

（1）主站通过干线发送数据到同总线扩展母从站的传输控制：时序管理配置层根据同步时序链路管理协议实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向相同总线扩展数据传输控制层根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库负责存储数据，在严格的时序动态管理协议下启动二级扩展数据链路管理协议，完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送；

（2）同总线扩展母从站回应主站的传输控制：通过RS485驱动器接收主站轮询数据后，通过二级扩展数据链路管理协议对数据协议解析，启动面向同领域总线的扩展数据传输控制层，启动实时库将支线子站数据读取，根据严格的动态打包算法将数据通过RS485驱动器回复给主站；（3）同总线扩展母从站通过支线发送数据到扩展支线子站的传输控制：时序管理配置层根据同步时序链路管理协议实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，在严格的时序动态管理协议下将数据通过RS485驱动器做差分信号发送给支线子站；

（4）同总线扩展母从站通过支线接收数据的传输控制：同总线扩展母从站在发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动时序管理配置层根据同步时序链路管理协议启动解析协议，在处理完成后启动实时库存储支线子站信息；

（5）主站通过干线从同总线扩展母从站接收数据的传输控制：发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向相同总线扩展数据传输控制层，根据二级扩展数据链路管理协议完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库存储支线子站信息，如果有带电插拔设备现象，则启动同步时序链路管理协议完成动态链路控制修改。

所述多功能应用层完成多级扩展结构在异构总线扩展链路传输控制，过程如下：

（1）总线主站通过异构总线扩展母从站实现与异构总线子站的链路数据传输，数据传输控制过程与相同总线扩展链路传输控制相同，不同点在于数据传输控制层应用层和二级扩展协议选择；

（2）在总线的主站发送数据阶段，面向其他领域总线的开放性应用层根据同步时序链路管理协议动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，在严格的时序动态管理协议下采用二级扩展异构总线链路管理协议；该协议包括两部分：与二级扩展数据链路管理协议相同的动态打包算法和对异构总线转换的解析协议；

（3）在异构总线扩展母从站中，通过异构总线方式完成数据发送传输控制和接收数据解析，在RS485驱动器收到子站回复数据后，数据存入实时库，启动二级扩展异构总线链路管理协议，将异构总线的数据转换为现场总线相同的报文协议，完成动态打包算法通过RS485驱动器回复给总线主站；

（4）总线主站通过RS485驱动器接收数据后，在面向异构总线扩展数据传输控制层根据二级扩展异构总线链路管理协议完成对扩展母从站数据的解析，之后过程与同总线扩展母从站数据处理相同；

（5）在总线系统的异构总线扩展母从站中，时序管理配置层主要完成对扩展支线的子站使用，通过二级扩展总线链路管理协议实现数据传输控制和数据处理，通过异构总线协议，如MODBUS、PROFIBUS-DP,CAN-BUS等，完成对支线子站时间确定性数据传输控制，支线子站的数据会实时的存入自带的实时库中。

所述多功能应用层完成多级扩展结构的一般从站通信数据传输控制，过程如下：

（1）主站通过干线发送数据到同总线从站的传输控制：时序管理配置层根据同步时序链路管理协议实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向同领域总线的数据传输控制层根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库负责存储数据，在严格的时序动态管理协议下完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送；

（2）同总线从站回应主站的传输控制：通过RS485驱动器接主站轮询数据后，通过同步时序链路管理协议对数据协议解析，启动面向同领域总线的数据传输控制层，将数据通过RS485驱动器回复给主站；

（3）主站通过干线从同总线从站接收数据的传输控制：发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向同领域总线的数据传输控制层，根据同步时序链路管理协议完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库存储信息，如果有带电插拔设备现象，启动同步时序链路管理协议完成动态链路控制修改，实现动态实时管理的功能。

本发明所取得的有益效果为：

具有扩展结构的开放性多级总线系统与现有技术比较具有明显特点：可以在有限的时序周期下，完成大量设备数据通信。采用扩展结构的NIBUS现场总线可以满足与异构现场总线数据互通的需求，整个系统在高效的时序管理下，实现大量设备高效的时序管理和异构现场总线的无缝桥接，同时数据传输可以保持时间确定性特征。

（1）具有实现总线互通的现场总线扩展母从站；（2）将扩展母从站作为二级主站实现总线的数量扩展；（3）将扩展母从站作为中转站实现异构总线的接入；（4）提供高效的多级扩展拓扑结构时序控制管理机制。

附图说明

图1表示本发明多级扩展总线的拓扑结构图；

图2表示本发明多级扩展总线的通信协议说明；

图3多级扩展总线的相同总线扩展链路传输控制说明；

图4本发明多级扩展总线的异构总线扩展链路传输控制说明；

图5表示本发明多级扩展总线的从站通信数据传输控制说明。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

为了完成异构总线在DCS系统中无缝桥接，同时在严格的时序管理下实现设备数量扩容，本发明设计了一种具有扩展结构的开放性多级总线系统。多级结构扩展总线结构的发明整体分为三个部分：总线物理层设计，总线链路层协议设计，总线多功能应用层设计，具体设计概述如下。

一.发明多级扩展结构的总线物理层，搭建总线的系统结构。

系统控制器作为一级主站和总线主干线构成第一级物理链路层。一级物理链路层上可以有现场设备一般从站，或者多个扩展母从站作为现场总线支线一起构成二级物理链路层。其中，每个扩展母从站同时作为二级主站，实现各自支线子站设备或者异构总线互联，子站设备和异构总线构成第三极物理链路层。

二.发明总线链路协议。提供一种完成多级扩展总线结构高效时序链路控制的数据链路协议主要完成总线链路协议的管理功能：

1.完成干线链路层数据传输控制的同步时序数据链路管理协议（First TimeConstant Data Link,简称FTCDL）；

2.完成扩展从站支线与异构总线数据传输控制的二级扩展总线链路管理协议（Second Extend Bus Link,简称SEBL）；

3.完成扩展从站支线与同类型总线下扩容设备数据传输控制的二级扩展数据链路管理协议（Second Extend Data Link，简称SEDL）。

三.设计总线多功能应用层。包括：

1.数据实时库应用层（Application Real Time Data Base,简称ARTDB）；

2.面向其他领域总线的开放性应用层接口（Application Extend BusInterface,简称AEBI）；

3.面向同领域总线的扩展数据传输控制层（Application Extend DataTransmission Contrl,简称AEDTC）；

4.面向同领域总线的数据传输控制层（Application Bus Data TransmissionContrl,简称ABDTC）；

5.面向整个总线的时序管理配置层（NICBUS Time Management Services,简称NTMS）。

6.实时库（ARTDB）应用层。

其中，要实现多级结构扩展总线结构的发明设计内容，就必须将总线多功能应用层的具体功能实现过程分为以下三种情况，具体步骤内容将在实施方式中详细说明。

1.多功能应用层完成多级扩展结构在相同总线扩展链路传输控制。

2.多功能应用层完成多级扩展结构在异构总线扩展链路传输控制。

3.多功能应用层完成多级扩展结构的一般从站通信数据传输控制。

一.多级扩展结构的总线物理层说明。

根据图1所示，多级扩展结构的总线实现包括以下环节：

1.总线的主控制器作为系统主站，通过高速RS-485总线实现物理链路互联，总线的干线组成一级物理链路。

2.干线上所有从站，包括一般从站，同总线扩展母从站，异构总线扩展母从站一起构成了二级物理链路层。

3.所有扩展母从站的分支线，即不同类型扩展母从站的支线子站一起构成了三级物理链路。

4.在一级物理链路层，系统主站可以通过图2中的同步时序数据链路管理协议（FTCDL）实现对干线上的所有一般从站和各类扩展母从站动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控制。

5.在二级链路物理层。DCS系统容量足够满足现场设备接入需求时，使用干线的一般从站就可以完成现场智能单元的数据传输功能。

6.在二级链路物理层。当DCS系统的时序访问周期不能改变，但需要扩大系统容量时，则使用干线的同总线扩展母从站完成扩大现场智能设备数据传输，同时保证整个系统运行的时序访问周期不会明显增加而影响系统运行。

同总线扩展母从站的是为解决采用485高速总线技术而产生的由于自身物理介质特点造成现场设备控制时间和数量收到限制的问题，其物理介质特点体现在下三个方面：系统数据传输速率需要5Mbits/s；不支持长信息段（＞255字节）；系统要求通信负载率<30%。

负载率=每次传输的字节数/传输速度规定的字节数量；

传输速度规定的字节数量：即设备的通信速率，5M/2M/1M等；

从公式可以分析，假如让整个总线在5M的传输速度下，通信负载率不超过30%，就必须让每次传输的字节数量控制在200字节以内最合适。数据传输时要满足物理介质特点，则必须对每次打包的规模进行计算和判断，保证每次数据传输符合系统要求。但是，某些现场智能设备的数据信息数量在50字节，系统携带大量这种现场设备，将数据传输给总线主站时，报文字节远远超过了物理介质的限定，不能正常通信。为解决以上问题发明了采用面向相同总线的扩展母从站。

7.在二级链路物理层。当DCS系统时序访问周期不能改变，并且需要接入不同种类总线的现场智能设备时，使用干线的异构总线扩展母从站完成接入不同类型的现场总线智能设备的功能。

8.不同类型的总线中，扩展母从站作为系统的二级主站，扩展的支线子站作为二级主站从属关系，一起接入总线系统。通过图2中的同步时序数据链路管理协议（FTCDL）实现对支线上的所有子站的动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控制。

二.总线通信链路协议说明。

根据图2所示，多级扩展结构的总线的通信协议包括以下环节：

1.总线的主干线和支线采用具有屏蔽双绞线的高速485技术，同时具有双通道冗余功能，保证DCS数据正常通信受外界干扰最小，总线的主干线和支线最大带宽为5Mbps。

2.在总线系统中，主站与各种类型的扩展母从站和一般从站、扩展母从站与支线子站，都采用同步时序链路管理协议（FTCDL），用于实现主从关系的各个设备动态链路管理功能，动态链路管理功能可以完成对从站时间确定性数据传输控制，同时完成动态带电插拔现场设备的实时管理功能。

同步时序是指在整个控制系统的扫描周期中，对每个现场设备采用相同的时间间隔扫描的时序控制方法。同步时序链路管理协议（FTCDL）主要完成链路管理，通过读取所携带现场设备的逻辑地址和物理地址建立链路链表。链路管理在运行和计算过程中通过物理地址作为索引，为系统的主从关系数据传输和带电热插拔管理服务提供一种动态存储方式，同步时序链路管理协议（FTCDL）可以灵活的分配数据方便插入和删除数据。

同步时序链路管理协议（FTCDL）具体方式是：首先每个现场智能设备定义唯一的逻辑地址，通过点对点的询问方式发送逻辑地址，现场从站收到自己的逻辑地址，就回复自己的逻辑地址和物理地址。通过同步时序链路管理协议（FTCDL）的链路算法，提取物理地址加入链路。在主站中建立主干线的一般从站、扩展母从站链路。在扩展母从站中建立支线子站链路。

3.在总线系统主站下，采用同总线扩展母从站时，用二级扩展数据链路管理协议（SEDL）完成同总线扩展母从站数据传输控制和数据处理。

数据链路管理协议（SEDL）是为解决以下问题而设计：在系统扫描周期时间有限定，控制系统由于需要增加大量现场设备而出现大数据信息量交互时，总线不能每次正常传输足够现场设备信息的问题。

数据链路管理协议（SEDL）具有动态分包算法：把扩展母从站携带的支线子站，自动的按照最优方式动态的分包，即分成N个包发送N次，如果时间间隔为1ms，则扩展母从站完成携带子站周期发送要N*1ms,但是分包量一定控制在4个以内，这样就可以在做多增加4ms的短时间内，把大量的现场总线设备信息通过扩展母从站发送给主站。

整个算法计算中采用闭包功能，力求把控制指令和数据包装在一起，这样每个闭包完成好后，数据不会因为其他情况出现而轻易被改动，这样就实现了数据打包上锁功能。在实际链路中，会出现无法实现同步时序链路管理的问题：由于分包智能打包算法是基于链路搜索完成，同步时序链路管理协议（FTCDL）正在进行时，带电热拔现场设备的操作，根据同步时序链路管理协议（FTCDL）将拔出的现场设备剔除链路，但是在同步时序链路管理协议（FTCDL）的搜索中可能仍然会按照之前的链路搜索，此时会出现索引指向链路节点是不存在的情况。

数据链路管理协议（SEDL）为解决以上问题设计了自检算法，在每次打包前更新链路，在打包过程中不断的对下一个搜索节点判断，出现空节点或者新插入节点时立即跳过该节点继续打包，完成正常的数据打包，经过测试该方法效率高，数据打包稳定。

4.在总线系统的主站下，采用异构总线扩展母从站时，用二级扩展总线链路管理协议（SEBL）实现对异构总线扩展母从站的数据传输控制和数据处理功能。

二级扩展总线链路管理协议（SEBL）分为两部分，分别是采用数据链路管理协议（SEDL）相同的动态分包算法和对异构总线协议的转换算法。

5.在总线系统的主站下，可以直接完成面向相同总线的一般从站通信，一般从站的动态链路管理和数据处理使用同步时序链路管理协议（FTCDL）就可以完成，不需要专用协议处理。

三.多级扩展结构总线功能应用实现步骤说明。

1.根据图3所示，多功能应用层完成多级扩展结构在相同总线扩展链路传输控制，过程如下：

（1）主站通过干线发送数据到同总线扩展母从站的传输控制：时序管理配置层(NTMS)根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向相同总线扩展数据传输控制层（AEDTC）根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库（ARTDB）负责存储数据，在严格的时序动态管理协议下启动二级扩展数据链路管理协议（SEDL），完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送。

（2）同总线扩展母从站回应主站的传输控制：通过RS485驱动器接收主站轮询数据后，通过二级扩展数据链路管理协议（SEDL）对数据协议解析，启动面向同领域总线的扩展数据传输控制层（AEDTC），启动实时库（ARTDB）将支线子站数据读取，根据严格的动态打包算法将数据通过RS485驱动器回复给主站。

（3）同总线扩展母从站通过支线发送数据到扩展支线子站的传输控制：时序管理配置层(NTMS)根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，在严格的时序动态管理协议下将数据通过RS485驱动器做差分信号发送给支线子站。

（4）同总线扩展母从站通过支线接收数据的传输控制：同总线扩展母从站在发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动时序管理配置层(NTMS)根据同步时序链路管理协议（FTCDL）启动解析协议，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储支线子站信息。

（5）主站通过干线从同总线扩展母从站接收数据的传输控制：发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向相同总线扩展数据传输控制层（AEDTC），根据二级扩展数据链路管理协议（SEDL）完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储支线子站信息，如果有带电插拔设备现象，则启动同步时序链路管理协议（FTCDL）完成动态链路控制修改。

2.根据图4所示，多功能应用层完成多级扩展结构在异构总线扩展链路传输控制，过程如下：

（1）总线主站通过异构总线扩展母从站实现与异构总线子站的链路数据传输，数据传输控制过程与相同总线扩展链路传输控制相同，不同点在于数据传输控制层应用层和二级扩展协议选择。

（2）在总线的主站发送数据阶段，面向其他领域总线的开放性应用层（AEBI）根据同步时序链路管理协议（FTCDL）动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，在严格的时序动态管理协议下采用二级扩展异构总线链路管理协议（SEBL）。该协议包括两部分：与二级扩展数据链路管理协议（SEDL）相同的动态打包算法和对异构总线转换的解析协议。

（3）在异构总线扩展母从站中，通过异构总线（如MODBUS，PROFIBUS等）方式完成数据发送传输控制和接收数据解析，在RS485驱动器收到子站回复数据后，数据存入实时库（ARTDB），启动二级扩展异构总线链路管理协议（SEBL），将异构总线的数据转换为现场总线相同的报文协议，完成动态打包算法通过RS485驱动器回复给总线主站。

（4）总线主站通过RS485驱动器接收数据后，在面向异构总线扩展数据传输控制层（AEBI）根据二级扩展异构总线链路管理协议（SEBL）完成对扩展母从站数据的解析，之后过程与同总线扩展母从站数据处理相同。

（5）在总线系统的异构总线扩展母从站中，时序管理配置层(NTMS)主要完成对扩展支线的子站使用，通过二级扩展总线链路管理协议（SEBL）实现数据传输控制和数据处理，通过异构总线协议，如MODBUS、PROFIBUS-DP,CAN-BUS等，完成对支线子站时间确定性数据传输控制，支线子站的数据会实时的存入自带的实时库（ARTDB）中。

3.根据图5所示，多功能应用层完成多级扩展结构的一般从站通信数据传输控制，过程如下：

（1）主站通过干线发送数据到同总线从站的传输控制：时序管理配置层(NTMS)根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向同领域总线的数据传输控制层（ABDTC）根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库（ARTDB）负责存储数据，在严格的时序动态管理协议下完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送。

（2）同总线从站回应主站的传输控制：通过RS485驱动器接主站轮询数据后，通过同步时序链路管理协议（FTCDL）对数据协议解析，启动面向同领域总线的数据传输控制层（ABDTC），将数据通过RS485驱动器回复给主站。

（3）主站通过干线从同总线从站接收数据的传输控制：发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向同领域总线的数据传输控制层（ABDTC），根据同步时序链路管理协议（FTCDL）完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储信息，如果有带电插拔设备现象，启动同步时序链路管理协议（FTCDL）完成动态链路控制修改，实现动态实时管理的功能。

通过以上说明可知，这种多级开放性结构的扩展总线形式，能够在不影响系统时序周期的前提下，实现异构总线的现场设备桥接，也能完成采用相同总线的其他现场设备大量接入工作，同时不会影响所有扩展母从站和一般从站在整个总线系统中时间确定性的传输控制过程。它为现场总线系统设计时在解决现场设备开放性和统一控制性方面提供了一种可行的方案。

Claims (4)

1.一种具有多级扩展结构的开放性总线结构， 其特征在于：该结构整体分为三个部分：总线物理层，总线链路层，总线多功能应用层；

系统控制器作为一级主站和总线主干线构成第一级物理链路层，一级物理链路层上有现场设备一般从站，或者多个扩展母从站作为现场总线支线一起构成二级物理链路层，其中，每个扩展母从站同时作为二级主站，实现各自支线子站设备或者异构总线互联，子站设备和异构总线构成第三级物理链路层；

总线链路层：提供一种完成多级扩展总线结构高效时序链路控制的数据链路协议完成总线链路协议的管理功能：完成干线链路层数据传输控制的同步时序数据链路管理协议；完成扩展从站支线与异构总线数据传输控制的二级扩展总线链路管理协议；完成扩展从站支线与同类型总线下扩容设备数据传输控制的二级扩展数据链路管理协议；

总线多功能应用层包括：数据实时库应用层；面向其他领域总线的开放性应用层接口；面向同领域总线的扩展数据传输控制层；面向同领域总线的数据传输控制层；面向整个总线的时序管理配置层；实时库应用层；

所述多级扩展结构的总线实现包括以下环节：

(1).总线的主控制器作为系统主站，通过高速RS-485总线实现物理链路互联，总线的干线组成一级物理链路；

(2).干线上所有从站，包括一般从站，同总线扩展母从站，异构总线扩展母从站一起构成了二级物理链路层；

(3).所有扩展母从站的分支线，即不同类型扩展母从站的支线子站一起构成了三级物理链路；

(4).在一级物理链路层，系统主站通过同步时序数据链路管理协议实现对干线上的所有一般从站和各类扩展母从站动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控制；

(5).在二级链路物理层：DCS系统容量足够满足现场设备接入需求时，使用干线的一般从站完成现场智能单元的数据传输功能；

(6).在二级链路物理层：当DCS系统的时序访问周期不能改变，但需要扩大系统容量时，则使用干线的同总线扩展母从站完成扩大现场智能设备数据传输，同时保证整个系统运行的时序访问周期不会明显增加而影响系统运行；

同总线扩展母从站是为解决采用485高速总线技术而产生的由于自身物理介质特点造成现场设备控制时间和数量受到限制的问题，其物理介质特点体现在下三个方面：系统数据传输速率需要5Mbits/s；不支持＞255字节的长信息段；系统要求通信负载率<30％；

负载率＝每次传输的字节数/传输速度规定的字节数量；

传输速度规定的字节数量：即设备的通信速率，5M/2M/1M；

从公式可以分析，假如让整个总线在5M的传输速度下，通信负载率不超过30％，就必须让每次传输的字节数量控制在200字节以内最合适；数据传输时要满足物理介质特点，则必须对每次打包的规模进行计算和判断，保证每次数据传输符合系统要求；但是，某些现场智能设备的数据信息数量在50字节，系统携带大量这种现场设备，将数据传输给总线主站时，报文字节远远超过了物理介质的限定，不能正常通信；为解决以上问题发明了采用面向相同总线的扩展母从站；

(7).在二级链路物理层：当DCS系统时序访问周期不能改变，并且需要接入不同种类总线的现场智能设备时，使用干线的异构总线扩展母从站完成接入不同类型的现场总线智能设备的功能；

(8).不同类型的总线中，扩展母从站作为系统的二级主站，扩展的支线子站作为二级主站的从属关系，一起接入总线系统；通过同步时序数据链路管理协议实现对支线上的所有子站的动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控制；

所述多级扩展结构的总线链路层包括以下环节：

(1).总线的主干线和支线采用具有屏蔽双绞线的高速485技术，同时具有双通道冗余功能，总线的主干线和支线最大带宽为5Mbps；

(2).在总线系统中，主站与各种类型的扩展母从站和一般从站、扩展母从站与支线子站，都采用同步时序链路管理协议，用于实现主从关系的各个设备动态链路管理功能，动态链路管理功能完成对从站时间确定性数据传输控制，同时完成动态带电插拔现场设备的实时管理功能；

同步时序是指在整个控制系统的扫描周期中，对每个现场设备采用相同的时间间隔扫描的时序控制方法；同步时序链路管理协议主要完成链路管理，通过读取所携带现场设备的逻辑地址和物理地址建立链路链表；链路管理在运行和计算过程中通过物理地址作为索引，为系统的主从关系数据传输和带电热插拔管理服务提供一种动态存储方式，同步时序链路管理协议可灵活的分配数据方便插入和删除数据；

同步时序链路管理协议具体方式是：首先每个现场智能设备定义唯一的逻辑地址，通过点对点的询问方式发送逻辑地址，现场从站收到自己的逻辑地址，就回复自己的逻辑地址和物理地址；通过同步时序链路管理协议的链路算法，提取物理地址加入链路；在主站中建立主干线的一般从站、扩展母从站链路；在扩展母从站中建立支线子站链路；

(3).在总线系统主站下，采用同总线扩展母从站时，用二级扩展数据链路管理协议完成同总线扩展母从站数据传输控制和数据处理；

二级扩展数据链路管理协议是为解决以下问题而设计：在系统扫描周期时间有限定，控制系统由于需要增加大量现场设备而出现大数据信息量交互时，总线不能每次正常传输足够现场设备信息的问题；

二级扩展数据链路管理协议具有动态分包算法：把扩展母从站携带的支线子站，自动的按照最优方式动态的分包，即分成N个包发送N次，如果时间间隔为1ms，则扩展母从站完成携带子站周期发送要N*1ms,但是分包量一定控制在4个以内，这样可在做多增加4ms的短时间内，把大量的现场总线设备信息通过扩展母从站发送给主站；

整个算法计算中采用闭包功能，力求把控制指令和数据包装在一起，这样每个闭包完成好后，数据不会因为其他情况出现而轻易被改动，这样就实现了数据打包上锁功能；在实际链路中，会出现无法实现同步时序链路管理的问题：由于分包智能打包算法是基于链路搜索完成，同步时序链路管理协议正在进行时，带电热拔现场设备的操作，根据同步时序链路管理协议将拔出的现场设备剔除链路，但是在同步时序链路管理协议的搜索中可能仍然会按照之前的链路搜索，此时会出现索引指向链路节点是不存在的情况；

二级扩展数据链路管理协议为解决以上问题设计了自检算法，在每次打包前更新链路，在打包过程中不断的对下一个搜索节点判断，出现空节点或者新插入节点时立即跳过该节点继续打包，完成正常的数据打包，经过测试该方法效率高，数据打包稳定；

(4).在总线系统的主站下，采用异构总线扩展母从站时，用二级扩展总线链路管理协议实现对异构总线扩展母从站的数据传输控制和数据处理功能；

二级扩展总线链路管理协议分为两部分，分别是采用二级扩展数据链路管理协议相同的动态分包算法和对异构总线协议的转换算法；

(5).在总线系统的主站下，直接完成面向相同总线的一般从站通信，一般从站的动态链路管理和数据处理使用同步时序链路管理协议完成。

2.按照权利要求1所述的一种具有多级扩展结构的开放性总线结构，其特征在于：所述多功能应用层完成多级扩展结构在相同总线扩展链路传输控制，过程如下：

(1)主站通过干线发送数据到同总线扩展母从站的传输控制：时序管理配置层根据同步时序链路管理协议实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向相同总线扩展数据传输控制层根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库负责存储数据，在严格的时序动态管理协议下启动二级扩展数据链路管理协议，完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送；

(2)同总线扩展母从站回应主站的传输控制：通过RS485驱动器接收主站轮询数据后，通过二级扩展数据链路管理协议对数据协议解析，启动面向同领域总线的扩展数据传输控制层，启动实时库将支线子站数据读取，根据严格的动态打包算法将数据通过RS485驱动器回复给主站；(3)同总线扩展母从站通过支线发送数据到扩展支线子站的传输控制：时序管理配置层根据同步时序链路管理协议实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，在严格的时序动态管理协议下将数据通过RS485驱动器做差分信号发送给支线子站；

(4)同总线扩展母从站通过支线接收数据的传输控制：同总线扩展母从站在发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动时序管理配置层根据同步时序链路管理协议启动解析协议，在处理完成后启动实时库存储支线子站信息；

(5)主站通过干线从同总线扩展母从站接收数据的传输控制：发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向相同总线扩展数据传输控制层，根据二级扩展数据链路管理协议完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库存储支线子站信息，如果有带电插拔设备现象，则启动同步时序链路管理协议完成动态链路控制修改。

3.按照权利要求1所述的一种具有多级扩展结构的开放性总线结构，其特征在于：所述多功能应用层完成多级扩展结构在异构总线扩展链路传输控制，过程如下：

(1)总线主站通过异构总线扩展母从站实现与异构总线子站的链路数据传输，数据传输控制过程与相同总线扩展链路传输控制相同，不同点在于数据传输控制层应用层和二级扩展协议选择；

(2)在总线的主站发送数据阶段，面向其他领域总线的开放性应用层根据同步时序链路管理协议动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，在严格的时序动态管理协议下采用二级扩展异构总线链路管理协议；该协议包括两部分：与二级扩展数据链路管理协议相同的动态打包算法和对异构总线转换的解析协议；

(3)在异构总线扩展母从站中，通过异构总线方式完成数据发送传输控制和接收数据解析，在RS485驱动器收到子站回复数据后，数据存入实时库，启动二级扩展异构总线链路管理协议，将异构总线的数据转换为现场总线相同的报文协议，完成动态打包算法通过RS485驱动器回复给总线主站；

(4)总线主站通过RS485驱动器接收数据后，在面向异构总线扩展数据传输控制层根据二级扩展异构总线链路管理协议完成对扩展母从站数据的解析，之后过程与同总线扩展母从站数据处理相同；

(5)在总线系统的异构总线扩展母从站中，时序管理配置层主要完成对扩展支线的子站使用，通过二级扩展总线链路管理协议实现数据传输控制和数据处理，通过异构总线协议，如MODBUS、PROFIBUS-DP,CAN-BUS，完成对支线子站时间确定性数据传输控制，支线子站的数据会实时的存入自带的实时库中。

4.按照权利要求1所述的一种具有多级扩展结构的开放性总线结构，其特征在于：所述多功能应用层完成多级扩展结构的一般从站通信数据传输控制，过程如下：

(1)主站通过干线发送数据到同总线从站的传输控制：时序管理配置层根据同步时序链路管理协议实现对主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向同领域总线的数据传输控制层根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库负责存储数据，在严格的时序动态管理协议下完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送；

(2)同总线从站回应主站的传输控制：通过RS485驱动器接主站轮询数据后，通过同步时序链路管理协议对数据协议解析，启动面向同领域总线的数据传输控制层，将数据通过RS485驱动器回复给主站；

(3)主站通过干线从同总线从站接收数据的传输控制：发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向同领域总线的数据传输控制层，根据同步时序链路管理协议完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库存储信息，如果有带电插拔设备现象，启动同步时序链路管理协议完成动态链路控制修改，实现动态实时管理的功能。