CN112711235B - 一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法，具体包括：S1、初始化令牌调度表中预设参数，其中令牌调度表中预设参数至少包括各个从设备的初始在线情况和最大调度响应时间初始值；S2、主设备基于令牌调度表中的顺序发送令牌至第一个从设备；S3、主设备基于最大调度响应时间内从设备的响应情况更新令牌调度表；S4、基于令牌调度表依次发送令牌至下一个从设备，并重复执行步骤S3，直至完成令牌调度表中所有令牌调度；本发明的工业控制系统令牌调度时间自适应的方法采用令牌依次发送到从设备，避免总线数据竞争，并可及时更新令牌调度时间，使通信效率最大化。

Description

一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法
技术领域
本发明涉及工业控制系统的通信领域，具体涉及一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法。
背景技术
典型控制系统由主机架与扩展机架组成，主机架与扩展机架间使用光纤进行通信连接，主设备通过令牌调度来确定设备的在线状态。在主设备令牌调度系统中，设置有令牌最大超时等待时间，设备超过最大时间未响应令牌回复帧，则代表该设备不在线，主设备标记该设备并启动下一次令牌调度。
中国发明专利CN106455067B，提供了面向无线通信领域的资源分配方法和装置，基于为资源分配周期内是否有数据收发来调整资源分配周期。该方案并无对实际节点延时情况的判断，周期调整方式也是基于固定规则，无法对实际变化的节点距离产生的延时做出精确调整。
中国发明专利CN106455067B公开了以下技术方案，依据预设时段内接收终端设备发送的上行数据的调度请求的数量与预设时段内调度请求总数的比值，或判断上行线路阻塞情况进行重配置信息调整。该方法在广播消息时无法对某一确定节点进行分配调度，从节点回复数据时需要判断总线情况，实时性较差。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提出了一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法，可灵活的根据机架结构、通信距离自动调整令牌调度时间，并可避免设备间冲突，实时调整每个节点的令牌调度时间，达到通信效率最大化。
为此，本发明提出的一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法，所述工业控制系统至少包括通过光纤通讯连接的主机架和扩展机架，其中主机架上设有主设备和从设备，扩展机架上设有从设备，其特征在于，所述令牌调度时间自适应的方法具体包括：S1、初始化令牌调度表中预设参数，其中令牌调度表中预设参数至少包括各个从设备的初始在线情况和最大调度响应时间初始值；S2、主设备基于令牌调度表中的顺序发送令牌至第一个从设备；S3、主设备基于最大调度响应时间内从设备的响应情况更新令牌调度表；S4、基于令牌调度表依次发送令牌至下一个从设备，并重复执行步骤S3，直至完成令牌调度表中所有令牌调度。
进一步的，步骤S3具体包括：S31、若主设备在最大调度响应时间内，未收到从设备的回复令牌或者数据，则更新令牌调度表中的设备在线情况为离线；S32，若主设备在最大调度响应时间内，接收到从设备返回的令牌或者数据，则表示该从设备在线且记录该响应时间，并将记录的响应时间对应更新为令牌调度表中的最大调度响应时间。
进一步的，还包括S5，主设备开启新一轮令牌发送，重复执行步骤S2-S4。
进一步的，步骤S1中，所述令牌调度表中的最大调度响应时间初始值基于从设备级联级数和光纤距离计算得到。
进一步的，所述最大调度响应时间初始值的计算公式如下：
Tovertime＝Tres+a×Tretra×2+Tdelay×2；
其中，Tovertime为最大调度响应时间初始值；Tres为从设备响应时间，为定值；级联设备转发时间Tretra＝M×(N+1)，M为单个设备转发时间，N为从设备的级联级数；a为计算级联设备转发时间的裕量系数；单向光纤传输延时时间
Figure BDA0002868604720000021
L为扩展机架距离主机架的光纤长度为，长度单位为km，τ为光纤折射率；光纤传导速率为
Figure BDA0002868604720000022
本发明的有益效果是：
1、总线上主设备采用令牌依次发送到从设备，从设备上行返回令牌或数据，能够避免总线数据竞争，及时更新最大调度响应时间，做到令牌调度效率最大化；
2、随机架距离变化自动调整令牌调度时间，对于不同的机架距离，可动态更新最大调度响应时间；
3、对于实际系统的计算所得最大调度响应时间，自适应调整的方式获得的响应时间更精确，而且能减少测量和计算的开销。
附图说明
图1为本发明实施例的机架拓扑图；
图2为本发明实施例的令牌调度逻辑示意图；
图3为本发明实施例的扩展机架设备传输时延示意图。
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
令牌调度：在机架间通信中采用集中管理的方法，即通过主设备依次给总线上的设备发送令牌，等待响应或超时后再发送下一个令牌的方法，解决了总线上多个设备竞争总线使用权问题，并有效避免了总线上的冲突。
令牌调度表：包含节点在线信息和节点超时时间的表格，主设备按照表格顺序进行令牌发送，完成一次调度后更新节点信息，调度完最后一个节点后从第一个节点开始进行下一轮循环。
最大调度响应时间：最大调度响应时间是与令牌调度表适配的令牌调度时间，可以随着系统获取实时的状况优化。
首先本发明应用的环境为工业控制器系统的机架间通信，不同机架分布在不同的物理位置，依次分为主机架和扩展机架，扩展机架又包括本地扩展机架和远程扩展机架，主机架和扩展机架之间通过光纤通讯连接。其结构如图1所示。位于主机架调度位置的控制器为主设备，按周期向总线上发送数据包，其他被动接收数据包并作出响应的为从设备。主机架上设有主设备和从设备，扩展机架上均是从设备。
如图2所示，本实施例的工业控制系统令牌调度时间自适应的方法的流程示意图，具体实施方式如下：包括，
S1、初始化令牌调度表中预设参数，其中令牌调度表中预设参数至少包括各个从设备的初始在线情况和最大调度响应时间初始值；
初始化的过程主要设置令牌调度表中的初始参数，包括配置各个从设备的在线情况，以及各个节点的最大调度响应时间的初始值。
其中最大调度响应时间初始值参照图3所示的模型进行计算。最大调度响应时间主要取决于从设备响应时间Tres、机架内数据总线传输时间Tin、级联设备转发时间Tretra以及单向光纤传输延时时间Tdelay。对于同样的控制器，Tres为从设备相应时间，是一个定值，Tin取决于设备在机架上的位置，级联设备转发时间Tretra和单向光纤传输延时时间Tdelay取决于级联设备个数和传输光纤长度。
假定扩展机架距离主机架的光纤长度为L km，光纤折射率记为τ，光纤传导速率为
Figure BDA0002868604720000041
则有
Figure BDA0002868604720000042
在机架上的信号传输速度可近似认为光速，从设备离主设备/级联设备的长度记为l km，则机架内数据总线传输时间
Figure BDA0002868604720000043
由于L与l高两个数量级以上，故机架内数据总线传输时间Tin可以被忽略。从设备的级联级数记为N，单个设备转发时间记为M，级联设备转发时间Tretra＝M×(N+1)，在本实施例中，在计算转发延迟转发时间时加入一定的裕量。则Tovertime＝Tres+a×Tretra×2+Tdelay×2。优选裕量系数a＝1+10％。
S2、主设备基于令牌调度表中的顺序发送令牌至第一个从设备。
主机架上的主设备开始根据令牌调度表中的顺序发送令牌帧给主机架上的从设备或扩展机架上的第一个从设备，然后等待从设备回复。
本实施例的令牌调度时间自适应的方法，主设备先发送令牌至主机架上的从设备。
S3、主设备基于最大调度响应时间内从设备的响应情况更新令牌调度表，具体包括：
S31、若主设备在最大调度响应时间内，未收到从设备的回复令牌或者数据，则更新令牌调度表中的设备在线情况为离线；
S32，若主设备在最大调度响应时间内，接收到从设备返回的令牌或者数据，则表示该从设备在线且记录该响应时间，并将记录的响应时间对应更新为令牌调度表中的最大调度响应时间。
每完成一次令牌调度就会更新令牌调度表中的从设备信息。若从设备的最大调度响应时间过长，则不能及时进行令牌调度表中信息的更新，会影响整体收发数据的效率，所以每一次令牌调度后对最大调度响应时间的实时更新，可以使通讯效率最大化。
S4、基于令牌调度表依次发送令牌至下一个从设备，并重复执行步骤S3，直至完成令牌调度表中所有令牌调度。
主设备对下一个从设备重复执行步骤S3，从而使对应的设备再令牌调度表中的信息进行更新。只有主设备得到响应，或者是超时响应，才会向下一个设备发送令牌，解决了总线上多个设备竞争总线使用权问题，并有效避免了总线上的冲突。按照令牌调度表中的顺序完成对所有从设备的令牌调度，从而更新了所有从设备在令牌调度表中对应的信息。
S5、主设备开启新一轮令牌发送，重复执行步骤S2-S4。
上一轮令牌调度完成之后，即主设备完成令牌调度表中最后一个从设备的令牌调度，又从令牌调度表的第一个从设备开始，进行令牌调度，从而及时的动态更新，提高通信效率。
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种工业控制系统令牌调度时间自适应的方法，所述工业控制系统至少包括通过光纤通讯连接的主机架和扩展机架，其中主机架上设有主设备和从设备，扩展机架上设有从设备，其特征在于，所述令牌调度时间自适应的方法具体包括：
S1、初始化令牌调度表中预设参数，其中令牌调度表中预设参数至少包括
各个从设备的初始在线情况和最大调度响应时间初始值，其中，最大调度响应时间初始值基于从设备级联级数和光纤距离计算得到，计算公式如下：
Tovertime＝Tres+a×Tretra×2+Tdelay×2；
其中，Tovertime为最大调度响应时间初始值；Tres为从设备响应时间，为定值；级联设备转发时间Tretra＝M×(N+1)，M为单个设备转发时间，N为从设备的级联级数；a为计算级联设备转发时间的裕量系数；单向光纤传输延时时间
Figure FDA0003518419060000011
L为扩展机架距离主机架的光纤长度为，长度单位为km，τ为光纤折射率；光纤传导速率为
Figure FDA0003518419060000012
S2、主设备基于令牌调度表中的顺序发送令牌至第一个从设备；
S3、主设备基于最大调度响应时间内从设备的响应情况更新令牌调度表；
S4、基于令牌调度表依次发送令牌至下一个从设备，并重复执行步骤S3，直至完成令牌调度表中所有令牌调度。
2.根据权利要求1所述的令牌调度时间自适应的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、若主设备在最大调度响应时间内，未收到从设备的回复令牌或者数据，则更新令牌调度表中的设备在线情况为离线；
S32，若主设备在最大调度响应时间内，接收到从设备返回的令牌或者数据，则表示该从设备在线且记录该响应时间，并将记录的响应时间对应更新为令牌调度表中的最大调度响应时间。
3.根据权利要求1所述的令牌调度时间自适应的方法，其特征在于，还包括S5，主设备开启新一轮令牌发送，重复执行步骤S2-S4。
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