基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)建模與仿真
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圖2 基于Profibus數(shù)控系統(tǒng)模型
一般來說數(shù)據(jù)通信控制網(wǎng)絡是一個復雜的混合系統(tǒng)，如果在仿真過程中使用離散傳遞函數(shù)（不考慮采樣周期內(nèi)的輸入/輸出的變化）來研究微小的總線傳輸延遲對控制系統(tǒng)造成的影響將變得非常困難。如圖2所示，為了避免這些問題，而且盡可能真實地仿真基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的行為，我們把離散的控制系統(tǒng)作為連續(xù)的控制系統(tǒng)進行仿真，同時在一個采樣周期內(nèi)使用采樣/保持單元鎖存信息。在這種情況下，等待總線授權(quán)所造成的延時，可以通過現(xiàn)場傳感設(shè)備輸出信息鎖存的時間到信息鎖存至控制器的時間延時來進行模擬。模型中的各個模塊的描述如下：
1．現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問控制模塊（Ask Token）
在PROFIBUS總線的數(shù)據(jù)鏈路層中所采用的介質(zhì)訪問控制方式為混合介質(zhì)存取方式，即主站與主站之間為典型的總線令牌傳遞方式，主站與從站之間為主從輪詢方式。這種介質(zhì)訪問控制方法滿足介質(zhì)存取控制的基本要求：在主站和主站之間通信，能夠確保在確定的時間間隔中，任何一個站點都有足夠的時間來完成通信任務；在主站和從站間，能夠快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。
為了計算以上三種時間，Profibus的MAC協(xié)議還設(shè)置了兩類計時器：TRR計時器和TTH計時器。當令牌到達某個主站時，此節(jié)點的TRR計時器開始計時，當令牌又一次到達該主站時，將TRR計時器的值與理想令牌循環(huán)時間TTR的差值賦給TTH計時器，得到TTH的值，即TTH=TTR-TRR，TTH計時器根據(jù)該值控制信息的傳送。如果TTH為負，即令牌到達超時，則此節(jié)點最多只可以發(fā)送一個高優(yōu)先級信息，然后必須傳遞令牌；如果TTH不為負，表明令牌及時到達，則此節(jié)點可以連續(xù)發(fā)送多個等待發(fā)送的高優(yōu)先級信息，當高優(yōu)先級信息全部發(fā)送完畢，如果仍然有持牌時間，則可以繼續(xù)發(fā)送低優(yōu)先級信息。所有信息發(fā)送完畢或持牌時間超時，則令牌傳遞給下一站令牌傳遞方式，在網(wǎng)絡重載時有很好的時間確定性，但在此時，通信確認顯得尤為重要。在網(wǎng)絡高吞吐量時，為了滿足系統(tǒng)實時性，及時傳遞嚴格的周期性信息，Profibus將傳送的信息按照優(yōu)先級分為高優(yōu)先權(quán)消息和低優(yōu)先權(quán)消息。只有高優(yōu)先權(quán)消息傳送完畢或沒有高優(yōu)先權(quán)消息，才執(zhí)行低優(yōu)先權(quán)消息發(fā)送。在此基礎(chǔ)之上，Profibus對低優(yōu)先權(quán)消息進行進一步劃分，將低優(yōu)先權(quán)消息劃分為三個子類：輪詢表、非循環(huán)低優(yōu)先權(quán)和間隙表。這三個子類用于邏輯環(huán)的動態(tài)優(yōu)化，在輪詢表中存有邏輯環(huán)的執(zhí)行順序。當所有高優(yōu)先權(quán)消息發(fā)送之后，就發(fā)送輪詢表消息循環(huán)，非循環(huán)低優(yōu)先權(quán)消息只在完成輪詢表消息循環(huán)后才發(fā)送。
由于本文所研究的基于Profibus總線的數(shù)控系統(tǒng)采用的是純主從式結(jié)構(gòu)，而且數(shù)控系統(tǒng)大多為周期性任務，因此在仿真模型中的現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問控制模塊應遵循周期性主從輪詢介質(zhì)訪問方式，同時應考慮到數(shù)控加工過程中可能出現(xiàn)的一些非周期性突發(fā)事件（如急停等）。如圖3所示，現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問控制模塊采用Simulink中的隨機數(shù)發(fā)生模塊經(jīng)過一定的邏輯處理能夠很好地模擬現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問過程。
圖3 現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問控制子系統(tǒng)模型
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