混合现场总线控制系统的实时性分析

朱耀春 宋 昉 刘 玲

(华北电力大学控制与计算机工程学院1，北京 102206;华北电力设计院工程有限公司2，北京 100120)

0 引言

现场总线技术以其高度的开放性、更高的传输精度和可互操作性在工业自动化领域获得了越来越多的应用。许多分散控制系统(distributed control system，DCS)制造商为跟上形势的发展，也将现场总线技术引入DCS系统，形成了同时集成现场总线设备和传统模拟设备的混合控制系统［1－2］，如艾默生的 Ovation 系统、FoxBora的I/A系统等。

由于现场总线技术有很多种，所以这些控制系统需要引入多种类型的现场总线技术，如基金会现场总线(FF)、Profibus现场总线和DeviceNet现场总线等。这样用户在进行系统设计时，就可以根据综合性能和价格等因素，选择不同类型的现场总线设备来完成系统的集成。

作为工业应用，控制系统的实时性是反映系统优劣的一个非常重要的指标。虽然前人已对单总线系统的实时性作了一定的研究［3－6］，但对多总线系统的研究却很少，所以对多总线系统的实时性分析是非常必要的。

1 系统构架

集成多种现场总线技术的DCS系统也可看作混合现场总线系统，其系统构架如图1所示。

图1 系统构架Fig.1 Architecture of the system

图1中的控制站可通过符合不同现场总线协议的现场总线接口卡与现场设备进行数据交互。控制站可从一种总线协议的现场设备中获取数据，然后进行分析计算，并将计算结果发送到另一种现场总线协议的现场设备中，形成闭环控制系统。

基金会低速现场总线(FF H1)和Profibus-DP现场总线是工业现场应用较多的两类现场总线，且许多控制系统已经将它们集成在一起，如Ovation系统、I/A系统等，所以本文将以同时集成两者的系统为例，对混合现场总线系统进行实时性分析。

2 FF H1总线实时性分析

基金会现场总线是为过程自动化系统的需求专门设计的现场总线，适合在流程工业的生产现场工作，其低速现场总线(FF H1)的通信速率为31.25 kbit/s。

FF H1总线的通信活动分为周期受调度通信和背景通信，这两类通信共同组成宏周期。在一个宏周期内，周期受调度通信将总线上所有功能块之间的链接通信完成一次，背景通信则将操作员需要监视的部分设备信息与操作站进行信息交换。这样，具有时间重要性的控制信息可在受调度通信时间段内完成，不会因为总线繁忙而丢失数据，具有高度的实时性。若干个宏周期后，所有操作员需要监视的设备信息可通过背景周期与操作站全部交换一次，这个周期可称为监控周期。

宏周期时间由链接通信、功能块执行时间和背景通信构成，一般在几百毫秒到1 s，监控周期则需要1～2 s，所以H1总线适合于热工慢过程的控制。

宏周期可由式(1)进行估算［3－4］:

式中:TM为宏周期，ms;NE为总线上设备之间的功能块链接次数;ND为设备数;TR为冗余时间，对于非冗余接口，其典型值为30 ms，对于冗余接口，其典型值为60 ms;1.2为时间余量系数。由式(1)可知，一条总线宏周期的大小由设备之间的功能块链接次数、设备数和接口是否冗余来确定。对于一条特定的现场总线，这些参数值都是确定已知的。

宏周期可以根据需要进行手动调整，其中周期受调度通信的时间是固定的，背景通信的时间可以适当加长或缩短。宏周期缩短会缩短控制周期，但也会延长监控周期，因为操作站要完成一次所有设备的数据刷新，需要更多的宏周期。

现场总线组态软件可以根据具体的系统硬件配置估算出一个宏周期时间，工程师在进行总线的宏周期配置时，应至少大于或等于估算的宏周期时间，这样才不至于使系统的稳定性受到影响。

宏周期的典型配置值为 250 ms、500 ms、1 s、2 s 和5 s。控制回路的控制周期一般大于等于宏周期，多数情况下与宏周期相同。为了能有更直观的认识，下面举例说明宏周期的估算。

例如一个总线段挂接8台FF H1现场总线设备，设备之间的功能块链接次数为6，具有冗余接口配置，由式(1)可知，此总线段的宏周期TM的估算值为:

式中:180×1.2=216 ms用于受调度通信，8×60×1.2=576 ms用于背景通信，有0.2倍的余量。相对于每一个现场智能设备而言，在一个默认宏周期内可占用30×2=60 ms的背景通信时间。如果进行宏周期的典型值配置，则应该将总线的宏周期设置为1 s。

3 Profibus-DP总线实时性分析

Profibus-DP是面向工厂自动化和流程自动化的一种现场总线标准，适用于高速数据传输，其传输速度在9.6 kbit/s～12 Mbit/s之间可选，但对于同一现场总线网段，所有挂接的设备均需选用同一传输速度。

Profibus-DP总线的通信有周期性通信和非周期通信两类。周期性通信用于周期性数据交换，非周期通信用于参数赋值、操作等非周期性操作［5－7］。总线上所有设备都完成一次数据交换的时间称为总线报文循环时间(message cycle time)，用TMC表示。

Profibus-DP总线报文循环时间与FF现场总线的宏周期概念不同。FF现场总线的宏周期时间由组态软件进行设置，可手动微调，一旦设置好，总线的周期通信时间就成为一个固定值。Profibus-DP总线报文循环时间由时间固定的周期性通信和时间不固定的非周期通信组成。非周期通信根据当前非周期通信数据量的大小确定，周期性通信可通过总线波特率、从站的数量、I/O数据的总量以及从站需要的延迟时间估算。

为了便于分析，相关的符号定义列举如下。

①Tbit为位(bit)时间，即总线上传送一个位所需要的时间，其值为波特率的倒数。如当总线波特率为12 Mbit/s时，1Tbit=1/12000000=83 ns。

②Tsyn为同步时间，即每个站在接收下一个请求开始前必须等待的一个空闲时间，典型值为33Tbit。

③Tid1为等待时间，即主站在接收完最后一个响应位后，再发送下一位信息时必须等待的时间。该时间至少为Tsyn加上一个安全的余量，典型值为75Tbit。特殊情况下，当主站发送完最后一位请求信息后，没有收到从站的响应信息，而再次发送下一个位请求开始信息前必须等待的时间，称为Tid2。

④TSDR为从站延迟时间，即从从站接收到主站的请求到它发送第一个响应报文位前必须等待的时间。TSDR-min为最少的等待时间，其典型值为11个 Tbit;TSDR-max为最大的等待时间，该时间和波特率有关，如表1所示。

一般来讲，从站接收报文之后进行报文处理的时间是相对固定的，但相对于Tbit的倍数则随波特率的不同而不同，波特率越大，倍数越大。

表1 从站延迟时间Tab.1 Delayed time of the slave

⑤TTD为传输延迟时间，即一个位信息从发送到接收在物理介质上所延迟的时间。它主要和电缆的长度以及中继器有关。对 Profibus-DP电缆来说，每100 m的延迟时间大约为0.5 μs。每个中继器的延迟时间为1个Tbit。

⑥TMC为报文循环时间，其值为主站发送请求信息时间+TSDR+从站响应信息时间。

⑦TBC为总线循环时间，其值为TMC加上一些时间余量。在多主站系统中，它的值为各个单主站的TMC相加。单主站系统的报文循环时间如图2所示。

图2 单主站系统报文循环时间Fig.2 The message cycling time of single master system

DP总线报文中每一个字节的特征码都由11位组成，即由1个起始位、1个停止位、1个校验位和8个数据位组成［7］。对于Profibus，每个数据交换报文中除了数据单元外，还有9个字节的报头和报尾(对于有可变数据字段长度的帧而言)。

由于同步时间Tsyn一般小于等待时间Tid1，所以在报文循环时间计算中只体现等待时间即可。单主站报文循环时间TMC的估算公式如式(3)所示。

总线循环时间TBC是TMC加上余量的结果，余量一般加20%～50%，用于非循环数据的通信或总线延迟时间或其他。对于多主站和冗余接口系统，总线循环时间TBC是多个主站TMC之和。

例如，对于一个单主站Profibus系统，其链接有7个从站，每个从站都有4个字节的数据，且请求数据数量与响应数据数量相同。取典型情况下的波特率500 kbit/s，则由式(3)可知，报文循环时间计算如下。

考虑40%的余量且主站为冗余主站，则有:

可以看到，Profibus-DP的报文循环时间是非常短的，在十几毫秒之内就可完成对所有从站的数据扫描。

4 混合总线实时性分析

采用混合现场总线的控制系统，可以分别发挥各自的优势，如基金会现场总线比较擅长模拟量控制，Profibus总线比较擅长开关量控制。对于存在大量模拟量和开关量节点的工业系统，混合采用这两种现场总线技术是一种比较可行的方案。

针对此类系统，如果要实现一个单回路闭坏控制系统，其PID控制模块、过程变量输入(AI)模块和过程变量输出(AO)模块的位置分配方案如表2所示。

表2 功能块位置配置方案Tab.2 Position configuration strategy of functional blocks

方案1:完成一个基本的控制周期，其数据流为FF总线设备→FF总线接口卡→控制站→FF总线接口卡→FF总线执行器。方案2:完成一个基本的控制周期，其数据流为FF总线设备→FF总线执行器。方案3:完成一个基本的控制周期，其数据流为FF总线设备→FF总线接口卡→控制站→PB总线接口卡→Profibus总线执行器。

在以上数据流中，“FF总线设备→FF总线接口卡”采用FF H1规范，速率为31.25 kbit/s;“FF总线接口卡→控制站”、“控制站→FF总线接口卡”和“控制站→PB总线接口卡”采用厂商I/O控制总线规范，速率一般都＞2 Mbit/s;“Profibus总线接口卡→Profibus总线执行器”采用Profibus-DP总线规范，速率一般≥500 kbit/s。相对于网络通信，智能设备和主控制器内部的算法计算时间所需要的时间要少得多。

在以上方案中，由于方案1和方案2只采用FF H1规范，其实时性分析可参见前文的叙述。在方案3中，FF总线设备只进行过程数据的采集，控制站负责PID控制算法，Profibus总线上的电动执行器接收控制站的PID输出。要完成闭环控制，数据流量需跨越不同类型的现场总线设备，所以有必要对其实时性进行进一步的分析。

设方案3中，FF现场总线段挂接4台设备(一般为4～8台)，设备之间的功能块链接次数为4(每台一个受调度点)，且接口冗余。Profibus-DP现场总线段挂接8台设备(一般为8～16台)，每个从站都有4个字节的数据，并取典型情况下的波特率500 kbit/s，接口冗余。则FF现场总线段的宏周期TM的估算值为:

进行软件组态配置时，可取宏周期500 ms，即在500 ms内，4台智能设备的受调度数据都可以实时地发送到控制站中。

Profibus-DP现场总线段的报文循环时间计算公式如下:

当为冗余接口且考虑40%的余量时，则有:

其他环节所消耗的时间比总线网络通信段所消耗时间要小得多，所以不作分析。

由上述分析可知，控制回路各个部分的数据要刷新一次，至少需要500 ms，即由FF总线段的宏周期决定。由控制理论可知，控制回路的控制周期应该大于等于数据的采样周期，这里数据的采样周期等于数据的刷新周期，即控制器在进行控制周期设置时，至少要大于等于500 ms。

5 结束语

综上所述，在由FF总线和Profibus总线组成的混合总线网络系统中，与控制有关的实时数据刷新时间等于FF总线段的宏周期时间，由它们组成的闭合控制回路的控制周期至少应等于FF总线段的宏周期或是它的倍数才有效。由于FF总线段的宏周期设置时间都在500 ms以上，所以这种结构只适合于热工慢过程的控制。

有了对混合现场总线控制系统的实时性分析，工程设计人员在设计混合现场总线系统时，就可以根据分析的结论，配置合理的总线参数，设计出一个更加安全有效的现场总线控制系统。所以混合现场总线控制系统的实时性分析，为工程设计人员设计混合现场总线控制系统提供了重要的参考依据，具有重要的理论价值和实用价值。

［1］白焰，吴鸿，杨国田.分散控制系统与现场总线控制系统:基础、评选、设计和应用［M］.北京:中国电力出版社，2001.

［2］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.2版.北京:清华大学出版社，2008.

［3］斯可克，王尊华，伍锦荣.基金会现场总线功能块原理及应用［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［4］Smar Co.，Ltd.Function blocks instruction manual［EB/OL］.［2010 －12 －01］.http://www.smar.com/PDFs/Manuals/FBL0C-PAME.pdf.

［5］侯维岩，张海峰，费敏锐.现场总线PROFIBUS系统的实时性能分析［J］.电子测量与仪器学报，2004，18(2):56 －60.

［6］杨立波，李万军.现场总线的实时性探究［J］.太原大学学报，2006，7(4):88 －90.

［7］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 20540.4-2006测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3:Profibus规范第4部分:数据链路层协议规范［S］.北京:中国标准出版社，2006.