稿基于双网分流的工程机械设备数据网络构架研究本样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。基于双网分流的工程机械设备数据网络构架研究杨栋 陈小华 熊俊 三一智能控制设备有限公司, 长沙, 410100摘要: 针对已有工程机械设备数据网络在资源共享能力差, 高负载率下丢包率高等问题, 以及工程机械智能化程度日益增高, 部件数量日益增多的应用需求, 本文结合CAN总线可靠性高和工业以太网吞吐量大、 资源共享能力强等优点, 提出了一种用于工程机械设备数据传输的双网分流构架(Double Nets sharing Architecture, DNSA), 实验证明DNSA丢包率低, 能很好的实现监控网络间资源共享和利用。关键词: CAN总线; 工业以太网; 双网分流; 数据网络架构New data network architecture research based on double nets sharing to machinery equipmentYang Dong Chen Xiaohua Xiong Jun Wu Dan Sany Intelligent Control Equipment Co., Ltd, Changsha,410100 Abstract: According to the poor performance of the traditional data network Resources sharing capability and data load ability, and combined with the increasing number of intelligent parts of construction machinery and the demand of data complexity. Based on the high reliability of CAN and the good performance of the throughput capacity and resource sharing ability of industrial ethernet, a novel network construction was proposed here, the basic idea was double nets shunt .Experiments demonstrate it can ensure the low packet loss ,andbetter meetmulti-unit and communication requirement needs in industry scene.Key words: CAN highway; Ethernet; Double nets sharing; Data network architecture0 引言随着电子信息技术的迅速发展基金项目: 国防科工局军用技术推广专项( 240)资助项目; 电子信息产业发展基金资助项目, 工程机械监控日益智能化使得客户对监控系统实时性、 准确性、 大数据量传输及底层信息共享等方面提出了更高要求 张炳贤. 工程机械的智能化趋势与发展对策J.企业技术开发, ,11:115-116 ZHANG B X. Intelligent trend and development countermeasures for Engineering machineryJ.Technological Development of Enterprise, ,11:115-116。CAN总线由于其在数据通信中突出的可靠性、 实时性和灵活性, 及强抗干扰性, 广泛应用于底层控制设备之间的数据通信。但通信速度不高, 且吞吐量有限, 已不能很好的满足工程机械智能化程度日益增高, 部件数量日益增多的应用需求; 另外CAN总线通信距离有限, 且难以接入internet, 无法使底层控制设备信息得到很好共享和利用。以太网具有较长的通信距离和较高的通信速率, 且能方便的接入internet, 在信息量需求大的上层管理网络和过程监控网络应用广泛。但传统以太网无法保证数据传输的实时性要求, 且单点故障容易扩散, 从而造成整个网络系统的瘫痪; 另外, 工业以太网鲁棒性和抗干扰能力都不高, 很难适应环境恶劣的工业现场 金敏,罗恩泽,周翔.面向工程机械远程智能监控的无线通信协议J.中国工程机械. ,22(19):2316-2324.JIN M,LUO E Z,ZHOU X.Wireless Communication Protocol for Remote Intelligent Monitoring of Construction MachineryJ.China Mechanical Engineering. ,22(19):2316-2324.。本文结合CAN总线和以太网的优点, 提出了一种CAN网和以太网技术相结合的双网分流网络架构(Double Nets Sharing Architecture, DNSA)。重点对以太网链路层协议进行了改进, 简化了通信协议, 实现了CAN与以太网无缝对接。实验证明DNSA在保证数据低丢包率的同时, 能很好的实现监控网络间资源共享和利用。1 网络构架1.1 传统架构传统的监控系统采用CAN总线进行通信, 通信网络可分为现场设备层、 控制层和远程管理层。现场设备层主要完成现场设备数据采集和控制命令执行, 控制层主要完成现场设备数据的处理、 上传及将监控主站命令下达至现场设备层, 远程管理层主要指监控主站。远程管理层和控制层间经过无线网络进行通信。典型网络结构如Error! Reference source not found.所示 黄斑斑, 工程机械智能控制以太网CAN总线转换器设计D.武汉科技大学硕士论文, .HUANG B B. Construction Machinery Intelligent Control Ethernet CAN Bus Convert DesignD, Master Dissertation of Master Dissertation of Wuhan university of science and technology, .: 图 1 传统通信架构每个被监控的设备部件包括一个或多个传感器, 传感器采集设备部件的压力、 温度和伸缩量等数据; 分布式控制器将采集的现场数据处理后将结果传至CAN总线, 供CAN总线上其它设备使用; 某些带有CAN通讯结构的部件( 如倾角传感器和发动机) 等可直接连接在CAN总线上; 主控制器从CAN总线收集所需信息, 完成某些预定的处理功能, 将结果输入给HMI设备和远程设备; HMI设备主要用于显示现场数据及响应现场输入命令; 远传设备是远程管理层和控制层的接口, 主站和远传设备间可经过无线网络或internet进行通信。 操作人员命令经过HMI设备或主站经主控制器、 CAN总线下发至分布式控制器, 各分布式控制器经过执行器对设备部件执行用户命令, 如油缸位移调整、 诊断性保护等。此结构简单, 成本低, 系统可靠性高, 但吞吐量量低。随着部件信息、 智能化需求的提高及部件数量的日益增多, 传感器、 执行器、 分布式控制器和主控制器等形成大量数据, 吞吐量有限的Can总线显然已很难满足工程需求。以太网数据传输效率高, 能弥补CAN总线在吞吐量低的缺陷, 且能很好的实现监控单元间及监控单元与远传计算机间资源共享 陈曦, 杨振兴, 柳国辉.CAN总线和以太网在中央空调系统远程监控中的应用J.工业仪表与自动化装置, ,1(3)71-73CHEN X,YANG Z X,LIU G H.The application of CAN bus and Ethernet in the central air-conditioning system remote monitoringJ. Industrial Instrumentation & Automation , ,1(3):71-73.。本文结合CAN总线和以太网优点, 提出了适合工程机械现场数据通信的DNSA架构。1.2 DNSA架构DNSA构架的核心思想是根据数据量和数据的重要性进行分类传输。对于实时性要求高或数据量不大的数据( 如传感器数据、 执行器数据等) , 经过Can总线进行传输, 以保证传输的可靠性和实时性; 对于实时性不高或数据量大的数据( 如设备程序文件、 视频流数据和主控制层诊断数据等) 则经过工业以太网传输, 以保证大数据量通信。DNSA架构如Error! Reference source not found.所示: 图 2 DNSA数据传输构架Error! Reference source not found.所示传输构架由CAN总线和以太网两部分组成。在整个传输网络中, 主控制器相当于大脑, 经过以太网获得执行部件及传感器等设备信息, 同时结合其它监控信息如图像监控信息、 防撞监控信息等, 综合监控整个系统的运行。分布式控制器协助主控制器完成单元控制功能。以太网具有很好的资源共享能力, 可直接与internet相连, 实现工业现场和监控主站网络资源共享。人机接口界面用于显示系统的实时参数及用户指令下达。对于某些自带CAN传输功能且实时性要求高的设备( 如倾角传感器、 旋转编码器等) , 直接放在CAN总线上进行处理, 因CAN总线负载率有限, 对于实时性要求不高, 或需数据量较大的数据, 能够放在以太网上进行传输。交换机用于完成以太网各节点的数据交换及CAN总线和以太网数据交互。单纯CAN总线和以太网在工业控制领域应用已相对成熟, 因此DNSA架构最大难点CAN-以太网总线对接模块设计和实现, 此模块放在交换机中, 下面将重点对此进行研究。为双网数据对接, 在以太网和CAN网之间必须加入互联网关, 网关如Error! Reference source not found. 所示: 图 3 DNSA网关硬件结构框图 DNSA网关是本架构的核心, 负责从接收到的链路层数据帧中解析出完整的 CAN 协议报文, 并经过CAN 控制器组帧后发送到 CAN 总线; 同时, 也可将收到的 CAN协议报文打包成数据帧, 经过以太网控制器发送到以太网上。因为以太网比CAN传输速度快, 因此在处理器里应该开辟一块缓存区, 从以太网传至CAN网络的数据大多为执行命令, 因此数据包大小不会很大, 根据实际工程需求, 缓存区大小设为1M, 对于1M以内的数据, 先在缓存区中全部保存完后再发送至CAN网络, 理论上1M之内的数据不可能出现丢包现象。来自CAN网络的数据, 同样存储在缓存区中, 每根据预先设定的CAN包数组以太网帧进行发送。2 网络传输协议2.1 传统协议1) CAN总线协议 CAN总线是当前应用最广泛的现场总线之一, 通信距离最远可达10km(速率低于5Kbps), 速率可达到1Mbps(通信距离小于40m)。本文以CAN20B版本协议定义的扩展帧数据帧为例对CAN帧格式进行说明。标准帧格式如图 4 所示: 图 4 标准数据帧格式标准数据帧由1bit的帧起始, 32bit仲裁场, 6bit控制场, 0-64bit数据场, 16bit循环冗余码CRC场, 2bit应答场, 7bit帧结尾组成。如果数据位全填满, 则CAN帧长为128bits。传输时延是指一个站点从开始发送数据帧到数据帧发送完毕所需要的全部时间, 是衡量通信网络质量的一个重要指标。假设从节点a到节点b传输L Byte, 链路传输速率为R bps,B为负载率, 帧长为F, 有效载荷为m, 则传输帧数为N (公式1)此处表示对取上整。为计算方便, 本文将其约等于L*8/m,m取CAN最大载荷64bit。传输时延t为: ( 公式2) 对于CAN,F为128bits,R为1Mbps。CAN总线负载率常在60%以下。当总线负载率超过 40%, 系统性能将恶化, 当总线负载率超过60%, 系统将不再稳定 荆楠,王林,安佰岳.基于 CAN 总线网络控制系统中的时延分析及对策J.计算机工程与设计, ,3(20):4599-4602. JIN N,WANG L,AN B Y.Analysis and policy of network latency in CAN control systemJ.Computer Engineering and Design, ,30(20):4599-4602., 因此选用60%负载率, 代入公式2得: ( 公式3) 2) 以太网协议Ethernet II和IEEE802.3在局域网中最常见的以太网, 本文选用用更适合工程机械的大数据量传输的Ethernet II协议, EthernetII链路层帧格式如Error! Reference source not found.所示: 表 1以太网链路层帧结构前同步码(8B)目的地址(6B)源地址(6B)类型(2B)数据字段(461500B)CRC(4B)前同步码的前7B值都为10101010, 用于”唤醒”接收适配器, 第8个字节为10101011, 第8个字节的后最后两个1, 通知主机接下来字节为目的地址; 目的地址为6B, 该字段包含目的设备的MAC地址; 源地址占6B, 该字段包含传输该帧到LAN上的源设备的MAC地址; 类型字段允许以太网复用多种网络层协议, 目的设备根据类型判断该将数据字段传输给哪层, 并根据哪种协议类型进行解析; CRC( cyclic redundantcy check, 循环冗余检测) 用于检测帧中是否引入了差错。数据字段为以太网帧的有效载荷, 对于传统的以太网帧, 数据字段为IP数据报, IP数据报格式如Error! Reference source not found.所示: 表 2 IP数据报网络层首部(=20B)传输层首部(20B)应用层报文IP数据报网络层为IPV4, IPV6等协议, 首部至少为20B, 传输层为TCP等协议, 首部占20。设一帧全部填满, 则帧长F为1526, 以太网速率取10Mbps, 有效载荷为数据长度为1460, 负载率也取60%, 根据公式2, 可得传输延时如下: (公式4)从Error! Reference source not found.能够看出传统以太网的数据填充位包括网络层、 传输层首部, 假设网络层采用IPV4, IP数据报有20个字节首部( 假定无选项) , 假设传输层采用TCP协议, TCP首部包括20字节。应用层采用HTTP文件传输协议。网络层、 传输层占用至少了40B, 浪费了带宽。为提高带宽利用率, 简化以太网模型, 可去掉各层首部, 将网络层、 传输层和应用层压缩为一层, 即将模型简化为物理层、 链路层和应用层。此时: (公式5)CAN和以太网是两种截然不同的通信方式, 为实现二者融合, 必须对传输协议进行改进, 为此本文提出率DNSA协议, 用于CAN和以太网对接。2.2 DNSA协议DNSA协议是DNSA架构中以太网和CAN对接协议, 组帧及解析均由Error! Reference source not found.中交换机中的以太网-CAN对接模块实现。其核心思想将CAN帧填充至以太网协议中的数据段进行传输; 为提高带宽利用率, 将传统以太网的网络层首部和传输层首部全部取消; 因为此协议为用户自定义传输协议, 为使该类型帧在以太网上传输不影响现有协议帧的正常传输, 必须避开已有以太网帧类型码 STEVENS W R.TCP/IP illustrated volume 1: the protocols S.S.L.:Addison Wesley/Pearson, 1994, 此处将类型定义为0x9931。以太网-CAN对接协议组帧规则如下: 帧头和帧尾和传统以太网相同, 数据字段由数据包数和若干个数据包组成, 如Error! Reference source not found.所示: 表 3数据字段格式数据包数( 2B) 数据包1( 4B+12B*m) .数据包n(4B+12B*m)用户可将数据分不同数据包进行传输, 数据字段前2B为数据包数。同一帧数据可同时传输多种类型数据。该协议允许一帧数据传输不同类型的CAN数据, 每个数据包中的CAN包类型必须相同, 不同数据包CAN包类型能够不同。单独的数据包字段组成如Error! Reference source not found.所示: 表 4数据包字段格式CAN包数(2B)CAN数据协议类型( 2B) CAN包1( 12B) CAN包m( 12B) 因为CAN帧由4B的CANID和8B的CAN数据场组成, 因此此处为CAN包分配12B长度, CAN 包格式如Error! Reference source not found.所示: 表 5 CAN包格式CANID( 4B) CAN数据( 8B) 设备类型(2B)部件类型(2B)属性类型码(2B)保留(2B)数据(4B)CAN数据包用于定义设备部件的属性值。CANID的前2B用于表示设备类型, 后2B表示部件类型, 8B的CAN数据中, 前2B用于表示属性类型, 保留2B, 后4B表示故障数据类型。设备类型用于识别主机类型, 如挖掘机、 起重机等, 设备及相应的类型如Error! Reference source not found.所示: 表 6 设备类型码设备类型挖掘机起重机铲土机桩机类型码0X000X010X020X03部件类型码用于识别机械部件, 如发动机、 油缸等, 部件类型码如Error! Reference source not found.所示: 表 7 部件类型码部件类型发动机油缸液压泵臂架类型码0X000X010X020X03属性类型码为数据本身代表的物理含义, 如温度、 湿度等, 属性类型码如Error! Reference source not found.所示: 表 8 属性类型码属性类型温度湿度角度长度流量类型码0X000X010X020X030X04如果CAN包为0x0001 0001 0000 0000 1E, 表示起重机油缸温度为30度。在组帧和解析CAN包时需查询设备类型码、 部件类型码及属性类型码表。定义一个结构体用于描述设备、 部件和属性类型, 结构体包括类型名称和类型码两个属性。系统初始化时, 构建设备类型、 部件和属性三个结构体链表, 根据类型码从小到大排列。当从以太网接收到数据包,以太网通信模块对数据包进行分析, 如果类型为0x9931, 则认为该数据报正确。取出数据段, 根据协议进行解析, 取出CAN包数据填充CANID和CAN数据, 经过 CAN 控制器发送到 CAN 总线。数据从以太网传至CAN网流程图如Error! Reference source not found.所示: 图 5 以太网至CAN传输若从 CAN 总线接收到数据, 将若干个CAN包组成数据包, 若干各数据包填充至以太网数据填充位, 组成以太网帧由以太网控制器发送到以太网上。流程如Error! Reference source not found.所示: 图 6 CAN至以太网传输3 工业应用与性能分析为验证DNSA的有效性, 我们将其用于泵车监控系统, 以其中的臂架姿态控制为例进行说明。远传设备采用三一移动终端, HMI设备采用三一显示屏, 交换机包含DNSA网关此处分布式控制器为油缸控制器。如Error! Reference source not found.所示: 图 7 DNSA用于泵车监控系统倾角传感器采集的臂架角度数据和旋转编码器采集转塔角度数据经CAN总线传输至交换机, 交换机中的DNSA网关将此CAN数据转为以太网数据传输至主控制器, 主控器经过接收到角度信息并计算达到臂架目标姿态所需各节臂油缸的运动过程, 将运动过程传给分布式控制器, 分布式控制器接收到的命令控制比例阀开关, 从而控制油缸伸缩, 压力传感器可实时采集油缸出油口等位置压力, 作为分布式控制器对于油缸平稳运动的判定依据油缸信息也可根据用户需要经以太网传输至交换机, 交换机将以太网数据转为CAN数据传给发送机等部件。主控制器也可直接将某些实时性要求高的命令以太网, 交换机和CAN总线传回给执行器, 如臂架运动过程, 主控制器如果发现臂架处在即将碰撞的安全范围外, 将经过CAN总线强制停止发动机。经过公式3和公式5能够分别求CAN和以太网传输延时, 对比如图 8所示: 图 8 CAN和以太网传输延时从图 8可看出在相同负载率下, 以太网传输延时明显低于CAN, 且以太网传输速率可到100M以上, 而CAN在1M时速度基本达到了上限。因此以太网在大数据量传输时更占优势。为验证DNSA的有效性, 下面CAN和以太网间通信丢包率进行测试。以太网到CAN发送数据分为600b,2k,5M三组, 缓存区大小为1M,各发送1000,丢包率如Error! Reference source not found.中所示: 表 9 以太网至CAN丢包率测试以太网速率( Mbps) CAN波特率( bps) 数据包大小(b)发送间隔(ms)发送次数(次)丢包率(%)以太网-Can10250K6001001000010250K2k1001000010250K5M3000010002.56在600b和2Kb情况下, 丢包率为0; 在5M情况下, 因为缓存区以太网所发数据包大小, 而以太网发送速率远远大于CAN, 因此会比较严重的丢包现象。CAN至以太网根据Error! Reference source not found.所设参数及分组进行测试。因为CAN速度小于以太网, 因此从CAN至以太网基本上不会出现丢包现象。表 10 CAN至以太网丢包率测试以太网速率( Mbps) CAN波特率( bps) 数据包大小 (byte)发送间隔(ms)发送包数( 次) 丢包率(%)Can-以太网10250k81010250k81010250k810对于丢包, 可从如下几方面做改进: 1) 提高数据接收处理线程优先级; 2) 对于数据完整性要求高的CAN设备采用一对一连接; 4) 在应用层加入应答重传机制; 5) 从总线拓扑角度, 寻找最优布置线路方案。实际工程应用中, 主要是将底层数据经过CAN网传送至以太网, 而以太网至CAN传输的是主控制或其它分布式控制器下发的一些控制命令, 很少出现1M以上的文件。因此本设计能很好的满足工程需求。4 结束语本文结合CAN总线可靠性高和以太网吞吐量大、 资源共享能力强等优点, 提出了一种适合工程机械控制领域的DNSA构架, 重点CAN和以太网对接模块进行了研究, 同时从网关设计及传输协议上进行了改进。实验证明该网络结构丢包率低, 能很好的满足工业现场多部件、 智能化、 高可靠性和高实时性的通信需求。 参考文献