CN102035688B - 一种快速控制网络链路访问设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速控制网络链路访问设计方法，该方法不局限于特定网络介质以及物理层标准，控制节点由主站和从站构成，各控制节点首尾相连构成控制网络，主站主动发送请求读写操作报文，从站解析主站报文对报文内容做读写操作，将报文返回主站的主要功能。主站主动询问方式，不存在网络中的载波监听冲突，从而提高网络的实时性，主站定时周期性向从站发送读取或者写入报文，实现快速、高精度、高稳定性的信息通信机制。
Description
技术领域
本发明属于网络产品领域，尤其涉及工业设备的控制网络技术，特别是网络控制方法，本方法是一种用于解决控制器之间信息传输需求的控制网络传输设计对应于不同实时性需求来选择不同的物理层介质，具备通用的处理方式。
背景技术
控制网络被广泛应用于工业自动化领域中，为工业自动化控制系统控制器之间控制信息提供有效快捷的解决途径。
常规网络的方案，有自身的缺点，网络传输过程中，存在检测冲突，会对网络的性能有很大影响，不能达到网络的实时性，而且网络数据传输过程中数据量比较大，网络负荷较高。
本方法采用环形网络拓扑作为网络传输的基础，主从访问机制，主站总是主动，从站总是被动，由主站主动发送读取和写入的报文，报文经从站读取或写入数据内容后，返回主站处理，使网络的实时性大大提高。
另外，对于参与工业控制系统来说，控制数据获取和控制信号传输的严格确定性、可靠性、准确性是重要的要求。然而目前以太网在这一点上或多或少的存在着缺陷。
发明内容
为解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了快速控制网络链路访问设计方法，本发明的设计方法能确保控制信号传输的严格确定性、高度可靠性、高稳定性、高度准确性这一问题的快速控制网络。
本发明具体采用以下技术方案：
一种快速控制网络链路访问设计方法，以主从方式实现控制信息通信的功能；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)构建快速控制网络链路结构，所述快速控制网络链路包括一个主站和多个级联从站，主站和从站均包含两个标准的网络通信端口，每个网络通信端口由一个收端口RX和一个发端口TX组成，主站和丛站能够全双工处理收发信号；
(2)主站主动周期性地向级联从站中的第一个从站发送读写控制输入、控制输出数据报文，每个所述报文中都包含报文索引字段、报文的唯一标识；
(3)所述多个级联从站中的第一个从站总是监听主站发送的读写控制输入、控制输出数据报文，根据报文的命令，读写控制输入、控制输出数据报文；
(4)当主站的网络通信A端口发送的读写控制输入、控制输出数据报文经过级联从站中的第一个从站的第一网络通信端口时，该从站从该第一网络通信端口接收到主站的请求报文，根据报文中的命令做读写操作后，通过该从站的第二网络通信端口向级联从站中的下一个从站转发报文；
(5)所述下一个从站的第一网络通信端口接收所述转发报文并处理后，向本从站第二网络通信端口转发报文，通过本从站的第二网络通信端口再向本从站的下一个从站转发报文，最终通过最后一个从站第一网络通信端口接收上一级从站的转发报文，并经过所述最后一个从站的第二网络通信端口将报文返回到主站的网络通信B端口，主站网络通信B端口接收报文并处理；
(6)若某个从站的其中一个网络通信端口是非连接状态，则报文将会沿原转发路径依次返回到所述级联从站中的第一个从站，最终返回主站网络通信A端口处理，主站接收到返回的报文后，将所述返回的报文复制后向主站网络通信B端口转发，以便遍历主站网络通信B端口所有级联从站。
本发明还公开了一种快速控制网络链路结构，以主从方式实现控制信息通信的功能，所述链路结构包括两部分组层、即主站部分，和1个或多个从站部分；其特征在于：
主站包含两个标准网络通信口、实时数据同步模块、诊断管理模块、索引号管理模块、端口接收队列管理模块和双端口冗余管理模块，其中，实时数据同步模块实现，实时数据同步模块主要完成各从站节点之间的数据传输工作；诊断管理模块主要功能是定期发送诊断报文，诊断各从站的运行状态和网络状态，若从站的运行状态发生异常，则诊断管理模块会启动配置功能，对从站重新做配置；索引号管理模块主要功能是，主站发送报文前，需要申请未使用的索引号，以便分配给每个报文唯一识别的标识和对应端口接收队列的缓存存储单元；端口接收队列管理模块，主要功能是接收网络中的数据报文，并根据报文中的索引号存储到该报文于对应的端口接收队列的存储单元中；双端口冗余模块，主要功能是网络出现单点故障时，不影响整个网络的正常运行。
所述1个或多个从站包含两个标准网络通信口，从站包含数据读写模块和转发模块；
与现有技术比较，本发明的优点包括以下几个方面：
(1)广泛适用于通用的总线标准，不局限于特定的总线接口。
(2)由于采用了双端口冗余机制，严格确定的从站访问机制，控制数据获取或传输具有严格的时间确定性、稳定性，从而提高了快速控制网络的整体性能。
(3)由于实现了获取或传输的控制数据拥有对应于每一从站的独立缓存位置，并能映射到主站特定的逻辑地址，使获取或传输的控制数据具有极高的可靠性和稳定性，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1描述了快速控制网络链路访问方法数据流向模型图；
图2描述了快速控制网络链路访问方法，主站端口接收队列和申请索引号的对应关系模型图；
图3描述了快速控制网络链路访问方法报文处理流程图。
具体实施方式
参照图1，快速控制网络结构包括两部分组层、即主站部分，和1个或多个从站部分。
主站包括两个标准的网络通信口、实时数据同步模块、诊断管理模块、索引号管理模块、接收队列管理模块和双端口冗余管理模块，其中，实时数据同步模块实现，实时数据同步模块主要完成各从站节点之间的数据传输工作；诊断管理模块主要功能是定期发送诊断报文，诊断各从站的运行状态和网络状态，若从站的运行状态发生异常，则诊断管理模块会启动配置功能，对从站重新做配置；索引号管理模块主要功能是，主站发送报文前，需要申请未使用的索引号，以便分配给每个报文唯一识别的标识和对应端口接收队列的缓存存储单元；端口接收队列管理模块，主要功能是接收网络中的数据报文，并根据报文中的索引号存储到该报文于对应的端口接收队列的存储单元中；双端口冗余模块，主要功能是网络出现单点故障时，不影响整个网络的正常运行。
所述1个或多个从站包含两个标准网络通信口，从站包含数据读写模块和转发模块；
主站负责对从站数据的管理，主要功能包含：读取从站数据、向从站写入数据、保存和管理所有从站数据，保存和管理所有从站运行状态，管理整个网络的链路状态，主站通过向从站发送命令报文方式实现以上功能；从站主要功能包含：接收主站报文、解析报文、读写报文、依据从站的两个端口链路状态转发报文。
所有的读和写的控制输入和控制输出数据报文，均有主站主动发起请求。
主站主动周期性地发送读写控制输入控制输出数据报文，从站被动地向报文中写入数据或者读出报文中的数据。
主站有两个网络端口，互为冗余，从站同样有两个网络端口，主站发送读写报文，经过从站时，从站的一个端口接收到主站请求的报文，并根据报文中的命令操作处理后，向另一个端口转发，若另一个端口是非连接状态，报文将会原路转回，最终返回主站。
假设从站出现单点故障，从站能快速检测出网络链路故障，会向原路转发报文，主站会在源端口接收并处理报文。
主站的两个网络端口，网络通信端口A和网络通信端口B有不同的MAC地址，如果环网网络链路正常，网络通信端口A发送的报文最终将会在网络通信端口B接收并处理，为了检测网络链路状态，网络通信端口A发送数据通信报文时，网络通信端口B同时发送网络链路报文，监测网络链路状态，网络通信端口B发送的报文最终会在网络通信端口A接收并处理，主站会根据报文的MAC地址判断发送端口；如果环网网络链路出现单点故障，网络通信端口A发送的报文最终会在网络通信端口A接收并处理，网络通信端口B发送的报文最终会在网络通信端口B接收并处理，这种方式可以解决单点故障不影响整个控制网络系统的正常运行。为了避免两个端口接收数据冲突，网络通信端口A和网络通信端口B在软件实现上都各自有一个接收队列，主站申请索引号时，网络通信端口A和网络通信端口B都存在与主站索引号一一对应的索引号缓存单元。
发送报文中定义了索引号字段，索引号占用一个字节，索引号取值范围0至255，索引号作为报文的唯一标识，主站发送报文时，需要申请索引号，软件实现索引号资源管理模块，实现多任务系统索引号资源管理。软件实现主站网络端口的接收队列，接收队列缓存单元资源数量与主站索引号资源数量和编号一致，主站网络端口的接收队列索引号对应于主站索引号资源，主站索引号与队列索引号是一一对应关系，每发送一个报文，都会存在一个唯一索引号缓存单元与之对应。
主站运行实时同步任务和诊断管理任务，实时同步任务优先级较高，保证数据通信的快速稳定性，诊断任务定期检测网络状态和从站运行状态，根据状态变化对从站做重新配置操作。
参照图2，主站端口接收队列和申请索引号的对应关系模型图，本发明以下面几部分实现：
主站发送读写控制输入和控制输出的数据报文，报文包含一个字节索引号，索引号连续且唯一。
快速控制网络链路访问设计方法的两个模块，数据同步模块和诊断管理模块，数据同步模块主要职责是传递控制网络中的控制输入和控制输出数据，控制输入和控制输出数据要求较高的实时性、稳定性，所以数据同步的优先级较高；诊断管理模块的主要职责是定期发送诊断管理报文，读取当前网络的链路状态和从站运行状态，如果从站运行状态异常，主站会发送告警信息并且重新初始化从站，对从站做重新配置，以达到正常运行状态，诊断管理模块的优先级低于数据同步模块。
为了避免数据同步模块和诊断管理模块运行中资源分配冲突，实现报文索引资源与网络端口缓存队列资源一一对应关系的算法，索引号唯一且连续，发送报文前申请索引号。
主站网络端口接收缓存数据队列结构中定义索引号属性，该索引号属性与缓存池索引号属性是一一映射关系，网络端口收到报文时，读取报文中的索引号，寻找到索引号对应的网络端口缓存队列的存储单元，将报文保存至对应的缓存单元中。
主站缓存池中的每个索引号单元定义了状态属性，包含以下几个属性：空状态、已分配状态、发送状态、接收状态、循环结束状态，申请缓存池索引号时，仅能申请到空状态的索引，循环结束后，状态将会被至为空状态，可以继续申请使用。
主站网络通信端口A和网络通信端口B都各自实现了一个独立的报文缓存队列，存放着接收到的数据报文，这样具有两个端口同一索引号不相互冲突的优点。
参照图3快速控制网络链路访问方法报文处理流程图
主站主动周期性地向网络通信A端口级联的从站中的第一个从站发送读写控制输入、控制输出数据报文，每个报文中都包含报文索引字段，报文的唯一标识，该索引号需要向索引池中申请获得；
从站总是监听主站发送的读写控制输入、控制输出数据报文，从站网络通信1端口接收到报文后，根据报文的命令，读写控制输入、控制输出数据报文；同时从站判断从站的网络通信2端口的连接状态，如果该端口连接状态正常，从站将报文转发向该端口，该报文将会转发至下一个级联的从站节点的网络通信1端口，下一个级联从站同样做以上同样操作后，继续转发至其下级联的从站，遍历网络中的所有从站后，报文将会通过最后一个从站网络通信2端口转发至主站网络通信B端口处理；如果该网络中有一个从站连接状态异常，报文将会转发至该异常从站网络通信1端口，与该异常从站网络通信1端口相级联的上一个从站继续向上一级联从站转发，报文将会转发至主站网络通信A端口，主站接收到报文后，读取报文的MAC地址，可以判断该报文是主站网络通信A端口发出，由此可以判断网络连接出现故障，主站复制该报文，继续向主站网络通信端口B发送该报文，以便该报文能遍历与主站网络端口B相级联的所有从站，最终返回主站网络通信B端口处理。
报文最终会转发至主站节点，主站根据读写命令把报文中更新的数据保存到主站的数据管理区，这样就实现了数据的同步过程。
Claims (5)
1.一种快速控制网络链路访问设计方法，以主从方式实现控制信息通信的功能；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)构建快速控制网络链路结构，所述快速控制网络链路包括一个主站和多个级联从站，主站和从站均包含两个标准的网络通信端口，每个网络通信端口由一个收端口RX和一个发端口TX组成，主站和从站能够全双工处理收发信号；
(2)主站主动周期性地向级联从站中的第一个从站发送读写控制输入、控制输出数据报文，每个所述报文中都包含报文索引字段、报文的唯一标识；
(3)所述多个级联从站中的第一个从站总是监听主站发送的读写控制输入、控制输出数据报文，根据报文的命令，读写控制输入、控制输出数据报文；
(4)当主站的网络通信A端口发送的读写控制输入、控制输出数据报文经过级联从站中的第一个从站的第一网络通信端口时，该从站从该第一网络通信端口接收到主站的请求报文，根据报文中的命令做读写操作后，通过该从站的第二网络通信端口向级联从站中的下一个从站转发报文；
(5)所述下一个从站的第一网络通信端口接收所述转发报文并处理后，向本从站第二网络通信端口转发报文，通过本从站的第二网络通信端口再向本从站的下一个从站转发报文，最终通过最后一个从站第一网络通信端口接收上一级从站的转发报文，并经过所述最后一个从站的第二网络通信端口将报文返回到主站的网络通信B端口，主站网络通信B端口接收报文并处理；
(6)若某个从站的其中一个网络通信端口是非连接状态，则报文将会沿原转发路径依次返回到所述级联从站中的第一个从站，最终返回主站网络通信A端口处理，主站接收到返回的报文后，将所述返回的报文复制后向主站网络通信B端口转发，以便遍历主站网络通信B端口所有级联从站。
2.根据权利要求1所述的快速控制网络链路访问设计方法，其特征在于：所述方法还进一步包括主站定期发送数据实时同步报文和诊断管理报文的步骤，通过所述实时同步报文定时同步控制输入和控制输出数据，通过所述诊断管理报文定时诊断从站的运行状态和网络链路状态。
3.根据权利要求1所述的快速控制网络链路访问设计方法，其特征在于：
所述报文中包含MAC地址，该地址由主站发送时分配，报文中的索引号由主站发送前向索引池中申请获得，并写入到报文索引字段中。
4.根据权利要求1所述的快速控制网络链路访问设计方法，其特征在于：主站的两个网络通信端口，即网络通信A端口和网络通信B端口有不同的MAC地址，如果网络链路正常，网络通信A端口发送的报文最终将会在网络通信B端口接收并处理，网络通信B端口发送的报文最终会在网络通信A端口接收并处理，主站会根据报文的MAC地址判断发送端口；如果环网网络链路出现单点故障，网络通信A端口发送的报文最终会在网络通信A端口接收并处理，网络通信B端口发送的报文最终会在网络通信B端口接收并处理。
5.根据权利要求4所述的快速控制网络链路访问设计方法，其特征在于：为了避免主站的两个端口接收数据冲突，网络通信A端口和网络通信B端口在软件实现上都各自有一个接收队列，主站申请索引号时，网络通信A端口和网络通信B端口都存在与主站索引号一一对应的索引号缓存单元。
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