一、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)簡介網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS是指通過一個實時網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)這種定義體現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 中，信息(參考輸入、對象輸出、控制輸入等)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在各個組成部分(傳感器、控制器、執(zhí)行器等) 之間進(jìn)行交換其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示⑴：控制器 控制器圖1典型NCS結(jié)構(gòu)簡圖網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)優(yōu)、缺點(diǎn)2.1網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的有點(diǎn)將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè) 備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化,同時也加強(qiáng)了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系，這種網(wǎng)絡(luò) 化的控制模式的主要優(yōu)點(diǎn)是：⑴信息資源能夠共享；(2) 可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制；(3) 具有咼的診斷能力；(4) 連接線路大大減少、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)、高效率、高可靠性、靈活； ⑸廉價2.2網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)會使系統(tǒng)的分析和綜合變得更為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性由同性網(wǎng) 絡(luò)自身的特點(diǎn)決定網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)中斷信息源較多，信息的傳遞要分時占用網(wǎng)絡(luò) 通信線路，而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通信帶寬是有限的，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生， 使得信息在傳播過程中不可避免的存在時延，時延受到所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的負(fù)載情況、 網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和信息包的大小等諸多因素，而呈現(xiàn)出或固定或隨機(jī)，或有界或無界的特征，導(dǎo) 致控制系統(tǒng)性能的下降甚至不穩(wěn)定，同時也會給控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計帶來較大的困難，綜上所 述，NCS存在以下不足：（一） 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時滯問題將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的分布化和網(wǎng)絡(luò) 化,同時也加強(qiáng)了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系。

但與此同時，由于網(wǎng)絡(luò)的加入使得信息在傳輸過 程中不可避免地存在著延遲例如，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下，數(shù)據(jù)包擁塞等待、網(wǎng)絡(luò)空閑檢測、長距離傳輸 等時延是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究的主要問題之一，數(shù)據(jù)在傳輸線路上必然存在著傳輸時延，數(shù)據(jù) 在接受處理是必然存在著處理時延，傳輸時延和處理時延共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時延網(wǎng)絡(luò)時延受到網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、路由算法、負(fù)載情況、傳輸速率等諸多因素的影響，呈現(xiàn) 出固定或隨機(jī)，有界或無界的特征二） 數(shù)據(jù)包丟失數(shù)據(jù)包丟失是網(wǎng)絡(luò)的引入所帶來的又一問題由于通信信道的不確定性，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中 可能出現(xiàn)錯誤甚至丟失，這樣，接收節(jié)點(diǎn)（控制器或執(zhí)行器）就會丟棄錯誤數(shù)據(jù)或使用之前接 收到的數(shù)據(jù)如果某一時刻采樣獲得的數(shù)據(jù)包在其后采樣的數(shù)據(jù)之后到達(dá)接收器，這種數(shù)據(jù)包也 會被丟棄另外，數(shù)據(jù)傳輸中大于某個特定長度的時滯也可以被視為數(shù)據(jù)丟失進(jìn)行處理從系統(tǒng) 信息的傳輸來看，數(shù)據(jù)包丟失的發(fā)生相當(dāng)于信息傳輸通道暫時被斷開，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā) 生較大的變化三） 多包傳輸問題以數(shù)據(jù)包形式傳輸?shù)男畔⑹蔷W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)多包傳輸是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化 系統(tǒng)的分析和設(shè)計時經(jīng)常遇到的另一個重要問題。

多包傳輸?shù)囊粋€主要原因是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限 制，數(shù)據(jù)包容量有限以至于無法包含一個時刻的全部采樣數(shù)據(jù)，這必須通過多個數(shù)據(jù)包進(jìn)行先后 傳輸多包傳輸?shù)牧硪粋€原因是網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的傳感器和控制器一般會分布在一個較大的物理空間 中，這樣，就不可能把同一時間的所有數(shù)據(jù)利用同一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸四） 通信約束問題信號在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸必然經(jīng)過量化過程，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法是把量化帶來的影響建模成外部 白噪聲擾動（均勻分布），在忽略量化現(xiàn)象的條件下設(shè)計控制器，如果設(shè)計出來的控制器無法 滿足要求，調(diào)節(jié)諸如采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計三、介質(zhì)控制訪問方式對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的影響介質(zhì)訪問控制：又叫介質(zhì)存取控制，就是掛在通信子網(wǎng)上的站點(diǎn)向通信介質(zhì)存信息或者從 通信介質(zhì)上取得信息的控制規(guī)則他是對傳輸介質(zhì)的使用進(jìn)行管理，將傳輸介質(zhì)的頻帶有效的分 配給網(wǎng)絡(luò)上的各個站點(diǎn)的方法介質(zhì)訪問控制是局域網(wǎng)中通信子網(wǎng)的核心內(nèi)容，各種局域網(wǎng)的心 跟那個在很大程度上取決于所采用的介質(zhì)訪問控制方式目前，較為流行的介質(zhì)控制訪問方式有帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD、令牌總 線、CAN總線3.1 CSMA/CD以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection-CSMA/CD）的介質(zhì)訪問控制方式。

其基本工作原理是:當(dāng)某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報文時，首先監(jiān) 聽網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑時為止，否則將立即發(fā)送；如果兩個或多個節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò) 空閑并同時發(fā)送報文時，它們發(fā)送的報文將在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突，因此每個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時，還必須 繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)當(dāng)檢測到兩個或多個報文發(fā)生碰撞時，節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長度 的時間后重新發(fā)送（不堅持退避算法）該隨機(jī)時間由標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制指數(shù)補(bǔ)償算法確定十六次碰撞 后，節(jié)點(diǎn)將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器匯報發(fā)送失敗信息不堅持CSMA利用隨機(jī)的重發(fā)時間來減少沖撞的概率這種算法的缺點(diǎn)是即使有幾個節(jié)點(diǎn) 有數(shù)據(jù)要發(fā)送，介質(zhì)仍然可能處于空閑狀態(tài)，介質(zhì)的利用率較低因此在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時，以太 網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問題，碰撞使以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量降低并且增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延， 最終可能導(dǎo)致無界的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延由于一系列的碰撞后，報文可能丟失，節(jié)點(diǎn)之間的通信將無 法得到保障，從而使控制系統(tǒng)需要的通信確定性和實時性難以保證不堅持CSMA/CD是一種隨機(jī)性通信協(xié)議，通信延時是隨機(jī)的，并且可能無界但是，在 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時，幾乎沒有網(wǎng)絡(luò)傳輸時延歸納其工作原理為：先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，隨機(jī)時延后重發(fā)。

其工作原理如圖所示生的CSMA/CD的工作原理圖礁?配幀聊抹沁、啟動發(fā)送幀i逬IT先聽后發(fā)IB""5 [?中突停It* i發(fā)送失敗邊聽邊發(fā)采用［進(jìn)制指數(shù)退避算法計算退.避時間■/\ \ 否發(fā)送滬突加強(qiáng)苗號隨機(jī)時延后發(fā)送''T*|:|］后出炭送圖2 CSMA/CD工作原理圖3.2 CSMA/CD介質(zhì)控制訪問方式對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響（1） 各個節(jié)點(diǎn)并行連接到總線，某個節(jié)點(diǎn)的失效不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行；（2） 網(wǎng)絡(luò)接口比較簡單，實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的加入和撤出很容易，可擴(kuò)展性和可靠性較好，維護(hù)方便， 結(jié)構(gòu)靈活，成本低；（3） 信道利用率（每一幀占用信道的時間）高，特別在輕負(fù)載（40%以下）時；（4） 傳輸時間和節(jié)點(diǎn)總數(shù)無關(guān)；（5） 在輕負(fù)載時，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時小，響應(yīng)速度快，有較高的信道吞吐量；（6） 隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加重，沖突的概率增加，信息傳輸時間不確定，傳輸平均延時增加，響應(yīng) 時間變長，信道的利用率降低，特別是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到60 %以上時，網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，所以只 有控制通信負(fù)載，限制節(jié)點(diǎn)數(shù)，才能改善實時性；（7） 從理論上，重負(fù)載下各節(jié)點(diǎn)獲得成功的概率也是一樣的，但實際上如果一個節(jié)點(diǎn)不能正確 處理沖突碰撞，它將有可能在一段不確定的時間范圍內(nèi)被禁止訪問網(wǎng)絡(luò)，會出現(xiàn)有些節(jié)點(diǎn)無法上 網(wǎng)的現(xiàn)象；(8) 它不宜于傳輸像“過程數(shù)據(jù)”這樣的小數(shù)據(jù)包，因為如前所述，若幀的長度小于規(guī)定的最 小長度，則須添加不必要的無用信息，使之達(dá)到最小長度才能傳輸，這樣既浪費(fèi)了信道，使有效 數(shù)據(jù)傳輸率降低，又增加了傳輸延時，降低了網(wǎng)絡(luò)的實時性；(9) 由于信號在傳輸中會引起衰減，當(dāng)兩個站相距較遠(yuǎn)時，它們發(fā)送到對方的信號與接收的信 號的疊加小于沖突閥值，無法檢測出沖突，所以通信電纜的長度有限制(最長為500m)；(10) 信息幀無優(yōu)先級別，不同的幀發(fā)送概率一樣，用于實時系統(tǒng)時，將受到各種各樣的約束；(11) 為了檢測沖突，對信號幅度有較高的要求。

3.3令牌總線控制網(wǎng)采用令牌傳遞總線(Token-passing Bus)的介質(zhì)訪問控制方式此方式采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)按一定的順序形成一個邏輯環(huán)，每個節(jié)點(diǎn)在環(huán)中均有一個指定 的邏輯位置，每個節(jié)點(diǎn)都了解先行節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)的地址，總線上各節(jié)點(diǎn)的物理位置與邏輯位置 無關(guān)收到令牌的節(jié)點(diǎn)在一段規(guī)定的時間內(nèi)被授予對介質(zhì)的控制權(quán)，因而該節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送一幀或 者多幀信息當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的傳輸已經(jīng)完成或者規(guī)定的時間己經(jīng)用完時，它將令牌傳遞給邏輯環(huán)中的 下一個節(jié)點(diǎn)由于只有收到令牌的節(jié)點(diǎn)才能將信息幀發(fā)送到總線上，因此與CSMA/CD訪問方式 不同，令牌傳遞總線訪問方式不可能產(chǎn)生碰撞假如取得令牌的節(jié)點(diǎn)有報文要發(fā)送，則發(fā)送報文； 隨后將令牌送至下一個節(jié)點(diǎn);否則，若取得令牌的節(jié)點(diǎn)沒有報文要發(fā)送，則立即將令牌送到下一 個節(jié)點(diǎn)由于節(jié)點(diǎn)接收到令牌的過程是順序依次進(jìn)行的，因此對所有節(jié)點(diǎn)都有公平的訪問權(quán)最 壞的情況下，一個節(jié)點(diǎn)等待取得令牌和發(fā)送報文的時間等于全部節(jié)點(diǎn)令牌傳送時間和報文發(fā)送時 間的總和控制網(wǎng)采用隱性令牌傳遞機(jī)制，給每個節(jié)點(diǎn)分配一個唯一的MAC標(biāo)識符在控制網(wǎng)中稱一 個周期的時間為網(wǎng)絡(luò)更新時間它可以分為調(diào)度段(Scheduled)、非調(diào)度段(Unscheduled)和保護(hù) 段(Guardband)，分別傳送實時性信息、非實時性信息以及同步信號和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

令牌傳遞總線 訪問方式是一種確定性協(xié)議，可以估算出最大的通信延時，網(wǎng)上每一個節(jié)點(diǎn)都知道信息的來去方 向，保證了較高的信息傳輸?shù)拇_定性，并且對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的輕重不敏感但是在負(fù)載較輕時，有很 多時間浪費(fèi)在令牌的傳遞上3.4令牌總線對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響(1) 由于所有節(jié)點(diǎn)有序地對介質(zhì)進(jìn)行訪問，所以這種訪問控制方式對所有節(jié)點(diǎn)是公平的，不存 在任何節(jié)點(diǎn)長時間不能上網(wǎng)的現(xiàn)象；(2) 理論上，它對幀的長短沒有限制，一些用于控制領(lǐng)域的令牌總線可以把幀的長度設(shè)置得很 短，以減少開銷，增加網(wǎng)絡(luò)容量；(3) 因為對每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀的最大長度加以限制，所以節(jié)點(diǎn)等待訪問時間(即發(fā)送 延時)的“總 量”是確定的當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都有報文要發(fā)送時，最壞的情況是等待取得令牌和發(fā)送報文的時間為 全部令牌傳送時間和報文發(fā)送時間的總和如果只有一個節(jié)點(diǎn)有報文發(fā)送，則最壞的情況是等待 時間為全部時間的總和，而平均時間是它們的一半對于控制領(lǐng)域來說，等待時間是一個關(guān)鍵參 數(shù)，可以根據(jù)需要，確定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和最大的報文長度，從而保證在限定時間內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)都 可以取得令牌；(4) 網(wǎng)絡(luò)效率對負(fù)載不敏感，特別是在重負(fù)載下，它的效率比較高，而且負(fù)載變化對網(wǎng)絡(luò)性能 影響較小；(5) 在網(wǎng)絡(luò)操作中，令牌總線能動態(tài)地從網(wǎng)絡(luò)中增加或者刪除節(jié)點(diǎn)。

但在令牌環(huán)中，節(jié)點(diǎn)已在 物理上形成了一個環(huán)的形式，所以不能動態(tài)地增加或者刪除；(6) 輕負(fù)載的情況下，要發(fā)送的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)仍要等待令牌到來后才能傳送數(shù)據(jù)，所以它的時延比 較長，網(wǎng)絡(luò)有效利用率低，平均響應(yīng)時間會比CSMA/CD長無數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點(diǎn)仍需要進(jìn)行令牌 的處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，且確定接收令牌的下一節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜；(7) 網(wǎng)絡(luò)中可傳輸不同長度類型的幀，控制方式相對復(fù)雜，當(dāng)誤碼導(dǎo)致令牌丟失時，要快速自 愈比較困難；(8) 當(dāng)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入或退出令牌總線時，整個總線必須重新配置以確定總線上節(jié)點(diǎn)的地址序列， 此過程所花的時間與總線上的節(jié)點(diǎn)成正比；(9) 對于令牌環(huán)網(wǎng)來說，由于節(jié)點(diǎn)是串接在環(huán)路上的，每一次數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過所有節(jié)點(diǎn)，一 旦某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，就會影響所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送，因而引起全網(wǎng)癱瘓，可靠性差由以上分析可以看出，令牌環(huán)適用于重負(fù)載、各節(jié)點(diǎn)信息比較均衡的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)化控制中, 主要用于高層，如管理級、優(yōu)化級等3.5CAN總線CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在己經(jīng)在過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用CAN 總線采用載波監(jiān)聽多路訪問/避免碰撞(Carrier SenseMultiple Access/ Collision Avoidance-CSMA/CA的介質(zhì)訪問控制方式，又稱為非破壞仲裁的 CSMA/CD(CSMA/CD with Non-destructive Arbitration-CSMA/NDA)。

實質(zhì)上 CAN 總線采用 CSMA/CD協(xié)議并引用非破壞性仲裁機(jī)制解決媒體共享問題CAN總線上的節(jié)點(diǎn)沒有地址，而 節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級的編碼被放置在報文的標(biāo)志字段中網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在 任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從要傳送信息的節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽總線，如 果總線空閑，該節(jié)點(diǎn)就開始發(fā)送信息如果同時有兩個或者多個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會發(fā)生碰撞， CAN總線解決碰撞的方法不同于標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CD協(xié)議它是采用非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則， 優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳輸信息這樣 大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重地情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況 CAN總線上的每個信息都有唯一的標(biāo)識符，信息幀的發(fā)送是以發(fā)送標(biāo)識符的高位開始的，當(dāng)兩 個節(jié)點(diǎn)在同一時刻向總線上發(fā)送信息時，它們首先將信息幀從標(biāo)識符高位開始逐位向總線上發(fā) 送，然后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如果其中的一個節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到位數(shù)據(jù)和它發(fā)送出去的位數(shù)據(jù)不相同，它就不再 往網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息另一個節(jié)點(diǎn)贏得仲裁，繼續(xù)發(fā)送信息網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點(diǎn)是否接收此信息完 全取決于其對標(biāo)識符濾波的設(shè)置情況CAN總線是面向信息的協(xié)議，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有錯誤檢測 和處理功能，保證了信息傳輸出錯率極低。

網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同 的實時要求，高優(yōu)先級的信息的最大通信延時是可以估算的這些特點(diǎn)使其適合于工業(yè)實時應(yīng)用 場合3.6CAN總線對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響CAN總線對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響可分為兩點(diǎn)：(1) CAN總線是一個對短消息優(yōu)化的確定性協(xié)議消息的優(yōu)先級在仲裁域中指定，較高優(yōu)先級 的消息在仲裁中獲得對介質(zhì)的訪問，因此能夠縮短對高優(yōu)先級消息發(fā)送的延遲2) 和其他網(wǎng)絡(luò)相比，CAN總線的最大缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送率低，最大為5OOKbps盡管它支持 大于8位的數(shù)據(jù)片段，CAN也不適用于大數(shù)據(jù)包消息的傳輸四、幾種介質(zhì)訪問控制方式的比較介質(zhì)是指物理層中的傳輸媒體，介質(zhì)訪問方式是一種信道共享技術(shù)，關(guān)系到信道的利用率現(xiàn)場 總線網(wǎng)絡(luò)屬于廣播式網(wǎng)絡(luò)，僅有一條通信通道，由網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)共享這就產(chǎn)生了所有節(jié)點(diǎn) 如何使用一個共享通道的問題MAC(Medium Access Control)層就是用來解決共享信道使用權(quán) 的分配問題通信中對于介質(zhì)的訪問可以是隨機(jī)的，也可以是受控的到目前為止網(wǎng)絡(luò)上常用的 介質(zhì)訪問控制方法分為三大類：隨機(jī)競爭類，固定分配類和按需分配類［1-2］下面對工業(yè)現(xiàn)場常見的幾種總線協(xié)議的介質(zhì)訪問方式進(jìn)行分析對比。

4.1隨機(jī)競爭類4.1.1 CSMA/CD普遍使用的隨機(jī)競爭 MAC 技術(shù)為 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/CollisionDetection帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問)，主要用于總線型和樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基帶傳輸系 統(tǒng)它包括以下三個要點(diǎn)：載波偵聽一一一個節(jié)點(diǎn)只有在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)空閑之后才能發(fā)送信息；多路 訪問一一具有兩種含義，既表示多個節(jié)點(diǎn)可以同時訪問媒體，也表示一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息幀可以 被多個節(jié)點(diǎn)所接收;沖突檢測一一如果多個節(jié)點(diǎn)同時檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑并發(fā)送信息，就會產(chǎn)生沖突 發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)出信息幀的同時，還必須監(jiān)聽媒體，判斷是否發(fā)生沖突，如發(fā)生沖突，則節(jié)點(diǎn)停止 發(fā)送，并等待一個隨機(jī)的時間重新發(fā)送，等待時間的長短由節(jié)點(diǎn)的退避算法決定根據(jù)退避算法 的不同可以分為非堅持CSMA, 1—堅持CSMA, p—堅持CSMA延時結(jié)束后重復(fù)上述過程再試 圖發(fā)送CSMA/CD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是原理比較簡單，技術(shù)上較易實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于同等地位，不 要求集中控制，且不需要預(yù)先分配節(jié)點(diǎn)位置，傳輸效率高，最適合用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不多，每個節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)量不大的情況它的主要缺點(diǎn)是不能提供優(yōu)先級控制，各節(jié)點(diǎn)爭用總線，沖突的產(chǎn)生具有 很大的隨機(jī)性，最壞情況下的響應(yīng)延時不可確定，當(dāng)負(fù)載增大時，發(fā)送信息的等待時間較長，不 能滿足遠(yuǎn)程控制所需要的確定延時和絕對可靠性的要求。

目前CSMA/CD廣泛應(yīng)用于由Ethernet 組建的局域網(wǎng)中，其國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3就是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Lon Talk協(xié)議是為LON總線設(shè)計的專用協(xié)議，所用的就是改進(jìn)的CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議 ——帶預(yù)測的P—堅持CSMA它在保留CSMA協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)的同時，注意克服它在控制網(wǎng)絡(luò)中的不足所有的節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機(jī)時間片來訪問介質(zhì)，這就有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻 繁碰撞4.1.2 CSMA/CRCSMA/CR （Carrier Sense Multiple Access/ Collision Resolution 帶沖突決定的載波監(jiān)聽多路訪 問）方式主要用于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基帶傳輸系統(tǒng)它的基本思想是：根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定節(jié) 點(diǎn)優(yōu)先級，每個節(jié)點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽，當(dāng)有多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送報文時將產(chǎn)生沖突，這時總線進(jìn)行位 仲裁（如同“與”的關(guān)系）如某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 0,而有其它的節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 1,則“與”的結(jié)果是 0,這時總線上為0發(fā)送0的節(jié)點(diǎn)將總線上的值與它發(fā)送的值比較后得知兩者相等則繼續(xù)發(fā)送， 而發(fā)送1的節(jié)點(diǎn)將總線上的值與它發(fā)送的值比較后得知兩者不等，則說明它的優(yōu)先級低，將退出 發(fā)送若某一時刻，有兩個不同的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的值相等，則繼續(xù)進(jìn)行比較，直到比較出不同的值時， 決定出優(yōu)先級，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)退出總線爭用，由發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。

CSMA/CR的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)上比較容易實現(xiàn)，具有沖突檢測和優(yōu)先級決定的功能，保證了實時 性缺點(diǎn)是每次傳輸?shù)膱笪臄?shù)量較小但是作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，其本身的數(shù)據(jù)量不是很大，因此 這不是問題它與CSMA/CD相比較兩者在檢測到?jīng)_突后，對于沖突的處理方式不同CSMA/CD 檢測到了沖突，選擇退避算法，產(chǎn)生了一個隨機(jī)數(shù)，由這個隨機(jī)數(shù)決定再次發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，這 就不能保證實時性而CSMA/CR在檢測到了沖突后，直接按優(yōu)先級來決定由誰退出，誰繼續(xù)傳 輸，保證了實時性CAN總線協(xié)議就是采用CSMA/CR的介質(zhì)訪問方式，CAN總線的數(shù)據(jù)協(xié)議幀的標(biāo)志字段 Identifier Field表示幀的優(yōu)先權(quán)對優(yōu)先權(quán)的分配機(jī)制有兩種：靜態(tài)優(yōu)先權(quán)分配機(jī)制和動態(tài)優(yōu)先 權(quán)分配機(jī)制CAN總線在媒體訪問期間，優(yōu)先權(quán)編碼被放置在報文的標(biāo)志字段中當(dāng)總線空閑 時，任何節(jié)點(diǎn)均可開始發(fā)送報文，若同時有兩個或更多的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報文，則會產(chǎn)生沖突解決的 辦法是采用非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則，利用沖突進(jìn)行優(yōu)先權(quán)仲裁，沖突的過程是優(yōu)先權(quán)小的 報文逐位淘汰而優(yōu)先權(quán)大的報文非破壞性的逐位析出過程，沖突的結(jié)果是優(yōu)先權(quán)大的報文先占用 媒體得以發(fā)送4.2固定分配類為了使網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)共享傳輸介質(zhì)，我們希望一個信道能夠同時傳輸多路信號。

多路復(fù)用技術(shù)就 是把許多信號在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)兩種最常用的多路復(fù)用技術(shù)是頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiple Access, FDMA）和時分多路復(fù)用（Time Division Multiple Access, TDMA ）FDMA是物理信道能夠提供比單路原始信號更多帶寬的情況下，把該物理信道的總帶寬分 割成若干個與傳輸單路信號帶寬相同的子信道，每個子信道傳輸一路信號多路的原始信號在頻 分復(fù)用前，首先要通過頻率調(diào)制把各路信號頻譜搬移到物理信道的不同頻譜段上，這可以通過在 頻率調(diào)制時采用不同的載波來實現(xiàn)TDMA是將一條物理信道按時間分成若干時間片輪流地給多個節(jié)點(diǎn)使用，每一個節(jié)點(diǎn)都分 配一個特定的時間片，每個節(jié)點(diǎn)在這個特定的時間片內(nèi)具有總線使用權(quán)它的優(yōu)點(diǎn)是不會發(fā)生碰 撞，每個節(jié)點(diǎn)有固定的發(fā)送順序時延可以計算綜上所述，固定分配類的一個共同的優(yōu)點(diǎn)是采用了多路復(fù)用技術(shù)，因此不存在數(shù)據(jù)幀的沖突 問題，數(shù)據(jù)收發(fā)具有較高的實時性和確定性ControlNet的MAC方法為一種改進(jìn)的TDMA方式——并存時間多路存取（CTDMA）方式 在這種方式下，節(jié)點(diǎn)可按需占用帶寬，提高了系統(tǒng)帶寬總的利用率，增強(qiáng)了帶寬分配的靈活性。

與工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)中常用的源/目的通訊模式不同，ControlNet采用了一種新的通訊模式：生產(chǎn)者 /消費(fèi)者模型生產(chǎn)者即數(shù)據(jù)的發(fā)送者，消費(fèi)者即數(shù)據(jù)的接收者每一條數(shù)據(jù)按內(nèi)容來標(biāo)識，采 用廣播方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的接收與否由接收節(jié)點(diǎn)通過對標(biāo)識符的篩選來確定與源/目的 模型相比，當(dāng)同一條信息傳遞給N個節(jié)點(diǎn)時，只需要發(fā)送一次即可，因此提高了網(wǎng)絡(luò)的通訊效 率ControlNet的MAC幀格式如圖3所示因每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的長度不同，所以不能根據(jù)固 定的時間間隔來觸發(fā)下一個節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，因此ControlNet采用了一種特殊的令牌傳遞機(jī)制 虛 擬令牌傳遞VTP（Virtual Token Passing）,來控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送次序MAC幀前同步起始界定符源 MAC ID鏈路數(shù)據(jù)包CRC結(jié)束界定符（16位） （8位） （8位） （0?510字節(jié)）（16位） （8位）圖3 MAC幀格式ControlNet中的節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的訪問是由時間來確定的每個節(jié)點(diǎn)只能在每一個網(wǎng)絡(luò)更新時間 （NUT）中指定的時間片內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)對節(jié)點(diǎn)的這種傳輸機(jī)會的控制由CTDMA算法來完成4.3按需分配類按需分配類MAC使節(jié)點(diǎn)在有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時才占用傳輸介質(zhì)，同時采取一種稱為“令牌”的機(jī)制來徹底 避免沖突的發(fā)生。

令牌傳遞技術(shù)主要有令牌環(huán)方法和令牌總線方法兩種4?3?1令牌環(huán)令牌環(huán)方法是使一個令牌沿著環(huán)循環(huán)，當(dāng)各站都沒有幀發(fā)送時，令牌稱為空令牌當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)要發(fā)送幀 時，需等待空令牌到來，然后將它改為忙令牌，隨后把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到環(huán)上由于令牌是忙狀態(tài)，所以其它站不 能發(fā)送幀，必須等待發(fā)送的幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送節(jié)點(diǎn)，經(jīng)校驗無誤后，該幀被從環(huán)上移去同時 該節(jié)點(diǎn)將忙令牌改為空令牌，傳至后面的節(jié)點(diǎn)，使之獲得發(fā)送幀的許可權(quán)接收幀的過程是當(dāng)幀通過節(jié)點(diǎn)時， 該節(jié)點(diǎn)將幀的目的地址和本站點(diǎn)的地址相比較，如地址相符，則將幀放入接收緩沖器，再輸入站點(diǎn)，同時將幀 送回至環(huán)上如地址不符合，則簡單地將數(shù)據(jù)幀重新送入環(huán)上在輕負(fù)載時，由于等待令牌需要時間，因此效 率較低在重負(fù)載時，由于各節(jié)點(diǎn)公平，因此效率較高PROFIBUS主站之間的通信就是采用令牌環(huán)機(jī)制三種系列的PROFIBUS （DP、PA和FMS）使用同一種總線 存取協(xié)議，也就是說具有相同的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層，該通信協(xié)議的MAC采用兩種存取方式，即主站之間的令 牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，其中令牌傳遞控制如圖4所示Profibus總線MAC協(xié)議是混合介質(zhì)訪問方式，即通過采用輪詢列表來支持具有時間觸發(fā)的通信活動。

輪詢列 表中的周期性信息是在主節(jié)點(diǎn)擁有令牌時，發(fā)送完所有待發(fā)送的高優(yōu)先級信息后，且持牌時間大于零時，將被 處理當(dāng)表中的周期性信息處理完后，若持牌時間大于零時，將處理低優(yōu)先級信息圖4 PROFIBUS總線存取方法4.3.2令牌總線令牌總線介質(zhì)訪問控制是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)從物理上看，這是一種總線結(jié)構(gòu)的 局域網(wǎng)和總線網(wǎng)一樣，站點(diǎn)共享的傳輸介質(zhì)為總線但是，從邏輯上看，這是一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的 局域網(wǎng)和令牌環(huán)一樣，站點(diǎn)只有取得令牌，才能發(fā)送幀，令牌在邏輯環(huán)中依次傳遞，這是現(xiàn)場 總線中很常見的介質(zhì)訪問控制方法令牌傳遞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不會發(fā)生碰撞，時延可以計算，與TDMA相比，信道利用率高 它的主要缺點(diǎn)是若令牌丟失，這個網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài)，所以網(wǎng)絡(luò)必須具有令牌恢復(fù)功能，增加 了額外的開銷FF和WorldFIP的鏈路調(diào)度就是采用了令牌傳遞技術(shù)由于工業(yè)過程中信息通信的多樣性和 實時性，F(xiàn)F和WorldFIP均采用集中式介質(zhì)控制策略，并且按照生產(chǎn)者/仲裁者/消費(fèi)者模型來管 理信息的實時通信通常，生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系通過組態(tài)來設(shè)定在任何時候一個網(wǎng)段上只有 一個活動節(jié)點(diǎn)起到節(jié)點(diǎn)仲裁作用，即負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)之間的信息通信。

該節(jié)點(diǎn)在FF和 WorldFIP中分別被稱為鏈路活動調(diào)度器(Link Active Scheduler, LAS)和總線仲裁器(Bus Arbitrator, BA)它具有鏈路活動調(diào)度能力，能形成鏈路活動調(diào)度表FF總線通過LAS嚴(yán)格地按照預(yù)定義調(diào)度時間表執(zhí)行周期性信息的通信活動，以支持周期性 信息的實時性要求WorldFIP總線上BA有一個進(jìn)行周期性調(diào)度的變量掃描表，該表列出了在總 線上需要循環(huán)調(diào)度的標(biāo)識符，即進(jìn)行周期變量傳送請求WorldFIP和FF均明確區(qū)分周期信息和非周期信息，并分別給出各自不同的控制策略二者 都利用了調(diào)度表中周期信息調(diào)度剩余的空閑時間(即非周期調(diào)度時間)進(jìn)行非周期信息的傳送， 但二者的方式有所不同F(xiàn)F采用輪詢的方法在非周期調(diào)度時間內(nèi)用PT(Pass Token)令牌按照活動列表內(nèi)容來管理 非周期信息WorldFIP對非周期信息傳送的方式采用查詢模式通過上述分析可以看到按需分配類不同于隨機(jī)競爭類，按需分配使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)依 據(jù)一定的次序都有發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送機(jī)會時，如有數(shù)據(jù)發(fā)送，則直接發(fā)送該 數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)中是否有沖突存在，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，則直接將該發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會送給 下游的其它節(jié)點(diǎn)，避免了既使不發(fā)送數(shù)據(jù)也占用網(wǎng)絡(luò)資源的現(xiàn)象。