基于PROFIBUS总线的数控系统建模与仿真
图2 基于Profibus数控系统模型
一般来说数据通信控制网络是一个复杂的混合系统，如果在仿真过程中使用离散传递函数（不考虑采样周期内的输入/输出的变化）来研究微小的总线传输延迟对控制系统造成的影响将变得非常困难。如图2所示，为了避免这些问题，而且尽可能真实地仿真基于现场总线的控制系统的行为，我们把离散的控制系统作为连续的控制系统进行仿真，同时在一个采样周期内使用采样/保持单元锁存信息。在这种情况下，等待总线授权所造成的延时，可以通过现场传感设备输出信息锁存的时间到信息锁存至控制器的时间延时来进行模拟。模型中的各个模块的描述如下：
1．现场总线介质访问控制模块（Ask Token）
在PROFIBUS总线的数据链路层中所采用的介质访问控制方式为混合介质存取方式，即主站与主站之间为典型的总线令牌传递方式，主站与从站之间为主从轮询方式。这种介质访问控制方法满足介质存取控制的基本要求：在主站和主站之间通信，能够确保在确定的时间间隔中，任何一个站点都有足够的时间来完成通信任务；在主站和从站间，能够快速又简单地完成数据的实时传输。
为了计算以上三种时间，Profibus的MAC协议还设置了两类计时器：TRR计时器和TTH计时器。当令牌到达某个主站时，此节点的TRR计时器开始计时，当令牌又一次到达该主站时，将TRR计时器的值与理想令牌循环时间TTR的差值赋给TTH计时器，得到TTH的值，即TTH=TTR-TRR，TTH计时器根据该值控制信息的传送。如果TTH为负，即令牌到达超时，则此节点最多只可以发送一个高优先级信息，然后必须传递令牌；如果TTH不为负，表明令牌及时到达，则此节点可以连续发送多个等待发送的高优先级信息，当高优先级信息全部发送完毕，如果仍然有持牌时间，则可以继续发送低优先级信息。所有信息发送完毕或持牌时间超时，则令牌传递给下一站令牌传递方式，在网络重载时有很好的时间确定性，但在此时，通信确认显得尤为重要。在网络高吞吐量时，为了满足系统实时性，及时传递严格的周期性信息，Profibus将传送的信息按照优先级分为高优先权消息和低优先权消息。只有高优先权消息传送完毕或没有高优先权消息，才执行低优先权消息发送。在此基础之上，Profibus对低优先权消息进行进一步划分，将低优先权消息划分为三个子类：轮询表、非循环低优先权和间隙表。这三个子类用于逻辑环的动态优化，在轮询表中存有逻辑环的执行顺序。当所有高优先权消息发送之后，就发送轮询表消息循环，非循环低优先权消息只在完成轮询表消息循环后才发送。
由于本文所研究的基于Profibus总线的数控系统采用的是纯主从式结构，而且数控系统大多为周期性任务，因此在仿真模型中的现场总线介质访问控制模块应遵循周期性主从轮询介质访问方式，同时应考虑到数控加工过程中可能出现的一些非周期性突发事件（如急停等）。如图3所示，现场总线介质访问控制模块采用Simulink中的随机数发生模块经过一定的逻辑处理能够很好地模拟现场总线介质访问过程。
图3 现场总线介质访问控制子系统模型
评论