CN105847050B - 一种工业以太网的断线故障检测及时钟同步恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业以太网的断线故障检测及时钟同步恢复方法，对各从站端口设定端口超时参数；当断线故障发生时，等待超时参数所设定的时间后，向主站发送返回帧；根据主站第一端口收到返回帧与否判定是否发生断线故障；并根据主站第二端口接收到返回帧与否，判定数据帧正向传输是否正常；另一方面，主站发送带时间戳报文的数据帧，并根据从站返回的数据帧的时间戳获取从站间的传输延时，根据该传输延时对各从站进行时钟调整，实现从站间的时钟粗同步；之后主站在发送的数据帧对从站写入补偿因子，各从站根据补偿因子进行漂移补偿与偏移补偿，实现从站间的时钟精确同步；该方法可实时响应断线故障，在一个插补周期之内实现时钟同步恢复，具有高可靠性和高实时性。

Description

一种工业以太网的断线故障检测及时钟同步恢复方法
技术领域
本发明属于工业以太网通信技术领域，更具体地，涉及一种工业以太网的断线故障检测及时钟同步恢复方法。
背景技术
现年来，由于工业以太网在高速数据传输的明显优势、技术成熟、价格低、易于组网、便于使用等特性，在工业控制领域中得到快速的发展。
在工控领域中，对于工业现场加工的机械振动以及可能的人为无意识举动导致的断线或松动故障，一般采用物理加固或采用更为结实的接线方式来防止可能出现的断线或松动故障；或改变传输介质将电缆保护拖链配置为短棒的形式以防备断线；在互联网领域，对于设备断线故障的响应是基于软件层面进行恢复，响应的时间>＝5ms；对于高速高精的数控加工而言，为了保证数据的有效性及加工的可靠性和稳定性，要求在一个插补周期(1ms)内恢复网络通讯并将数据安全送达。因此，普通的物理加固或改变传输介质及互联网仅从软件层响应断线故障的方法，无法满足工业现场的高实时性要求，需寻求适用于工业以太网领域的断线故障检测及时钟同步恢复的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种工业以太网的断线故障检测及时钟同步恢复方法，其目的在于提供工业以太网断线检测及时钟同步恢复的实时。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种工业以太网的断线故障检测方法，基于一个由主站与若干从站冗余组建的工业以太网系统，主站与从站均具有两个端口；具体如下：
(1)对各从站第一端口和第二端口设定端口超时参数；当断线故障发生时，等待超时参数所设定的时间后，向主站发送返回帧；
(2)主站第一端口判断是否收到返回帧，若否，则判定为数据帧丢失，发生断线故障；若是，则根据主站第一端口接收到的返回帧里的ST标识判断数据帧所经过的从站信息，包括所流过从站的数目，流过哪几个从站；
其中，ST为数据帧报文中的参数，定义如下：当寻址方式为顺序寻址方式时，ST为顺序号；当寻址方式为站地址寻址方式时为，ST为站地址；当寻址方式广播方式时，ST为广播号；
(3)主站第二端口根据是否接收到返回帧，获取数据帧正向传输方向的断线故障信息；若主站第二端口收到返回帧，则表明由主站第一端口至从站的正向传输方向的无断线故障；若主站第二端口未收到返回帧，则判定由主站至从站的数据帧正向传输方向发生断线故障。
优选地，上述工业以太网的断线故障检测方法，在步骤(3)后还包括如下步骤：根据主站第一端口与第二端口接收到返回帧的情况，及从站端口超时参数启用状态，判断断线故障位置；
具体地，当主站第一端口与第二端口均未收到返回帧，判定为主站第一端口出现断线故障；
当主站第一端口接收到返回帧，但从ST标识获取到的从站数目错误，且主站第二端口未收到返回帧，则判定主站第一端口与第二端口之间的从站端口发生断线故障；
当主站第一端口接收到返回帧，且从ST标识获取到的从站数目无误，但主站第二端口未收到返回帧，则判定主站第二端口发生断线故障；
当主站第一端接收到返回帧，且从ST标识获取到的从站数目无误，且主站第二端口收到返回帧，则判定网络无断线故障。
优选地，上述工业以太网的断线故障检测方法，对各从站设置的端口超时参数各不相同，以保证各从站返回帧的顺序性；
各从站端口的超时参数具体为：该从站端口两次收到主站发送的数据帧之间的累积片内延时与传输延时之和。
为实现本发明目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种工业以太网恢复时钟同步的方法，具体如下：
(i)主站发送带时间戳的数据帧；当该数据帧到达各个从站时，由从站记录时间戳；主站根据从站返回的数据帧获取从站间的传输延时，根据该传输延时对各从站进行时钟调整，实现从站的第一次时钟同步；
(ii)主站发送的数据帧对从站写入补偿因子，各从站根据补充因子进行漂移补偿与偏移补偿，实现从站的第二次时钟同步；
其中，从站的第一次时钟同步是粗略同步，从站的第二次时钟同步是精确同步；
其中，数据帧传输的过程中，时间戳会加上从站的片内延时；时间戳内记录数据帧到达端口的时间信息和该数据帧离开端口的本地时间信息；离开端口的本地时间为从站收到数据帧与发出数据帧之间的片内延时。
优选地，在上述工业以太网断线故障情况下，所述步骤(i)中，主站根据从站返回的数据帧获取从站传输延时并对从站进行时钟调整的方法具体如下：
当主站第一端口出现断线故障，则从主站第二端口发送相同的数据帧，由主站第二端口至从站的反向传输方向流过所有从站，根据各从站的时间戳获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据该传输延时进行从站的时钟同步调整；
当主站第二端口出现断线故障，根据主站第一端口收到的返回帧的时间戳，获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据该传输延时进行从站的时钟同步调整；
当从站端口发生断线故障，则在主站第一端口在收到返回帧后，从主站第二端口发送增强帧；再由主站第一端口根据该增强帧对应的返回帧的时间戳获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据该传输延时进行从站的时钟同步调整；其中，增强帧用于准确获取从站与参考从站间的传输延时。
优选地，上述工业以太网时钟同步恢复的方法中，在主站上外接带有网口与PCIe接口的协处理器进行故障检测和时钟同步恢复，以增强实时性，将对断线故障的响应时间控制在1ms之内。
优选地，上述工业以太网时钟同步恢复的方法中，所有从站均关闭发送端与接收端的自动协商功能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的工业以太网断线故障检测的方法，通过接收到的端口返回帧状态和端口超时参数状态，定位判断断线故障所在端口，具有简单高效的特定；
(2)本发明提出的工业以太网时钟同步恢复的方法，通过实时处理各从站的返回帧获取传输时延；其优选方案通过实时处理增强帧以及外接协处理器进行故障检测和时钟同步恢复，将系统对断线故障的响应控制在1ms之内，进一步提高了时钟同步恢复的实时性。
附图说明
图1是实施例采用的N2CC端口示意图；
图2为实施例中端口超时参数计算示意图；
图3为实施例中主站端口A断线或松动示意图；
图4为实施例中主站端口B断线或松动示意图；
图5为实施例中的工业以太网冗余连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例所提供的工业以太网的断线故障检测及时钟同步恢复方法，所基于的网络环境为：主站采用带有Ubuntu14操作系统的PC机，主站采用NCUC2.0系统，从站节点采用带有DC(分布式时钟)和N2CC的3个I/O从站组成冗余连接系统。如图1所示，从站芯片接收端Rx和发送端Tx选定，经过的Pdu(从站处理单元)顺序决定了从站在系统中的逻辑顺序，当断线故障发生时，从站的逻辑顺序不发生改变。
如图2所示，在本实施例中，主站和从站节点冗余连接，测得t0＝240ns，t1＝280ns，t2＝288ns，D1＝0ns，D2＝344ns，D3＝356ns；其中，t0是指第一从站片内延时，t1是指第二从站片内延时，t2是指第三从站片内延时；D1、D2、D3分别是指三个从站与参考从站间的传输延时；实施例中，超时参数设定为1000ns。
如图3所示，当主站与第一从站间出现断线故障时，主站经过端口超时参数所设定的时间收到返回帧，并将此返回帧从第二端口重新发出，发出的数据帧负向流过所有从站，主站第二端口收到返回帧并根据时间戳获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据该传输延时对从站进行时钟同步。
如图4所示，当第一从站与第二从站间出现断线故障时，检测到从站1的端口1超时参数开启，且主站端口A和端口B收到的数据帧情况，判断从站0与从站1之间发生断线故障，等待1000ns，数据帧从从站端口0发送返回帧；
当主站网口A收到返回帧，则将增强帧从网口B发出，根据增强帧的返回帧获取传输延时，实现3个从站时钟同步。
图5所示，是实施例中的工业以太网冗余连接示意图，其主站上外接有协处理器，该协处理器带有网口与PCIe接口，辅助主站进行故障检测和时钟同步恢复；通过硬件处理，可增强实时性，将对断线故障的响应时间控制在1ms之内。
将本发明所提供的故障检测与时钟同步恢复方法应用到具体的工业以太网中，在出现断线故障时，可在1ms内可以完成约1000个从站的断线故障响应，可满足工业以太网断线故障检测与时钟同步恢复的高实时性要求。与互联网设备断线后的响应恢复时间的实时性比较而言，本发明具有实时性方面的优势，可以很好地应用于高实时性的工业现场。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种工业以太网的时钟同步恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：
(i)主站发送带时间戳的数据帧；当所述数据帧到达各从站时，由从站记录时间戳；主站根据从站返回的数据帧获取从站的传输延时，根据所述传输延时对各从站进行时钟调整，实现从站的第一次时钟同步；
当工业以太网发生断线故障时，所述步骤(i)中，主站根据从站返回的数据帧获取从站传输延时并对从站进行时钟调整的方法具体如下：
当主站第一端口出现断线故障，则从主站第二端口发送相同的数据帧，由主站第二端口至从站的反向传输方向流过所有从站，根据各从站的时间戳获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据所述传输延时进行从站的时钟同步调整；
当主站第二端口出现断线故障，根据主站第一端口收到的返回帧的时间戳，获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据所述传输延时进行从站的时钟同步调整；
当从站端口发生断线故障，则在主站第一端口在收到返回帧后，从主站第二端口发送增强帧；再由主站第一端口根据该增强帧对应的返回帧的时间戳获取各从站与参考从站间的传输延时，主站根据所述传输延时进行从站的时钟同步调整；
(ii)主站在发送的数据帧内对从站写入补偿因子，各从站根据所述补偿因子进行漂移补偿与偏移补偿，实现从站的第二次时钟同步。
2.如权利要求1所述的时钟同步恢复方法，其特征在于，在主站上外接带有网口与PCIe接口的协处理器进行时钟同步恢复，将对断线故障的响应时间控制在1ms之内。
3.如权利要求2所述的时钟同步恢复方法，其特征在于，所有从站均关闭发送端与接收端的自动协商功能。
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