西门子6ES7214-2BD23-0XB8厂家供应

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融合了控制与信息处理的cc-bbbb（control＆communication bbbb）是一种省配线、信息化的网络，它不但具备高实时性、分散控制、与智能设备通信、ras等功能，而且依靠与诸多现场设备制造厂商的紧密联系，提供开放式的环境。q系列的cc-bbbb模块qj61btll，在继承a/qna系列特长的同时，还采用了远程设备站初始设定等方便的功能。

为了将各种各样的现场设备直接连接到cc-bbbb上，与国内外众多的设备制造商建立了合作伙伴关系，使用户可以很从容地选择现场设备，以构成开放式的网络。2000年10月，woodhead、contec、digital、nec、松下、三菱等6家常务理事公司发起，在日本成立了独立的非盈利性机构“cc-bbbb协会”（cc-bbbb partner association，简称clpa），旨在有效地在全球范围内推广和普及cc-bbbb技术。到2001年12月clpa成员数量为230多家公司，拥有360多种兼容产品。

1．cc-bbbb系统的构成

cc-bbbb系统只少1个主站，可以连接远程i/o站、远程设备站、本地站、备用主站、智能设备站等总计64个站。cc-bbbb站的类型如表1所示。

表1 cc-bbbb站的类型

cc-bbbb系统可配备多种中继器，可在不降低通信速度的情况下，延长通信距离，长可达13.2km。例如，可使用光中继器，在保持10mbps通信速度的情况下，将总距离延长至4300m。另外，t型中继器可完成t型连接，更适合现场的连接要求。

2．cc-bbbb的通信方式

（1）循环通信方式cc-bbbb采用广播循环通信方式。在cc-bbbb系统中，主站、本地站的循环数据区与各个远程i/o站、远程设备站、智能设备站相对应，远程输入输出及远程寄存器的数据将被自动刷新。而且，因为主站向远程i/o站、远程设备站、智能设备站发出的信息也会传送到其他本地站，所以在本地站也可以了解远程站的动作状态。

（2）cc-bbbb的链接元件每一个cc-bbbb系统可以进行总计4096点的位，加上总计512点的字的数据的循环通信，通过这些链接元件以完成与远程i/o、模拟量模块、人机界面、变频器等fa（工业自动化）设备产品间高速的通信。

cc-bbbb的链接元件有远程输入（rx）、远程输出（ry）、远程寄存器（rww）和远程寄存器（rwr）四种，如表2所示。远程输入（rx）是从远程站向主站输入的开/关信号（位数据）；远程输出（ry）是从主站向远程站输出的开/关信号（位数据）；远程寄存器（rww）是从主站向远程站输出的数字数据（字数据）；远程寄存器（rwr）是从远程站向主站输入的数字数据（字数据）。

表2链接元件一览表

注：cc-bbbb中的每个站可根据其站的类型，分别定义为1个、2个、3个或4个站，即通信量可为表中“每个站的链接点数”的1到4倍。

（3）瞬时传送通信在cc-bbbb中，除了自动刷新的循环通信之外，还可以使用不定期收发信息的瞬时传送通信方式。瞬时传送通信可以由主站、本地站、智能设备站发起，可以进行以下的处理：

l）某一plc站读写另一plc站的软元件数据。

2）主站plc对智能设备站读写数据。

3）用gx developer软件对另一plc站的程序进行读写或监控。

4）上位pc等设备读写一台plc站内的软元件数据。

3．cc-bbbb的特点

（1）通信速度快cc-bbbb达到了行业中高的通信速度（10mbps），可确保需高速响应的输入和智能化设备间的大容量数据的通信。可以选择对系统合适的通信速度及总的距离见表3.

表3 cc-bbbb通信速度和距离的关系

注：可通过中继器延长通信距离

（2）高速链接扫描在只有主站及远程i/o站的系统中，通过设定为远程i/o网络模式的方法，可以缩短链接扫描时间。

表4为全部为远程i/o站的系统所使用的远程i/o网络模式和有各种站类型的系统所使用的远程网络模式（普通模式）的链接扫描时间的比较。

表4链接扫描时间的比较（通信速度为10mbps时）

（3）备用主站功能使用备用主站功能时，当主站发生了异常时，备用主站接替作为主站，使网络的数据链接继续进行。而且在备用主站运行过程中，原先的主站如果恢复正常时，则将作为备用主站回到数据链路中。在这种情况下，如果运行中主站又发生异常时，则备用主站又将接替作为主站继续进行数据链接。

（4）cc-bbbb自动起动功能在只有主站和远程i/o站的系统中，如果不设定网络参数，当接通时，也可自动开始数据链接。缺省参数为64个远程i/o站。

（5）远程设备站初始设定功能使用gx developer软件，无需编写顺序控制程序，就可完成握手信号的控制、初始化参数的设定等远程设备站的初始化。

（6）中断程序的起动（事件中断）当从网络接收到数据，设定条件成立时，可以起动cpu模块的中断程序。因此，可以符合有更高速处理要求的系统。中断程序的起动条件，多可以设定16个。

（7）远程操作通过连接在cc-bbbb中的一个plc站上的gx developer软件可以对网络中的其它plc进行远程编程。也可通过专门的外围设备连接模块（作为一个智能设备站）来完成编程。

控制器局域网（can）属于的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。它是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其通信速率高、工作可靠、调试方便、使用灵活和等优点，己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用，被公认为几种有前途的总线之一，其协议也发展为重要的。

随着can总线在各个行业和领域的广泛应用，其通信性能也越来越受到人们的关注。目前，已有很多学者对can总线通信性能进行分析研究。文中在分析can总线通信控制协议的基础上，在matlab/sinubbbb软件stateflow仿真环境下，利用有限状态机理论对can总线通信系统进行了形式化建模。通过此仿真模型，分析了can总线通信系统中负载率的变化对网络吞吐量、平均信息时延、通信冲突率、网络利用率、网络效率以及负载完成率的影响。

1 can总线通信控制协议

根据iso11898（1993）标准，can从结构上分为物理层和数据链路层，数据链路层又包括逻辑链路层控制子层（llc）和介质访问控制子层（mac）。在can总线系统中，节点间通过公共传输介质传输数据，因而数据链路层是总线的核心部分。can总线数据链路层的通信介质访问控制方式为事件触发，采用csma/cd.只要总线空闲，网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，节点在请求发送信息时，首先侦听总线状态，若总线空闲（或等待至总线空闲）则开始发送。当多个节点同时发送产生冲突时，采用非破坏性位仲裁机制，即借助id标识符及逐位仲裁规则，低优先级节点主动停止发送，高优先级节点不受影响继续发送，从而避免总线冲突，避免信息和时间发生损失。在发送过程中，发送节点对发送信息进行校验，完成发送后释放总线。can总线系统通过使用这种非破坏性的逐位线仲裁技术来处理多个节点同时访问网络的冲突，后优先级高的节点能够立即发送数据，满足了高优先级节点实时性的相关需要。

2 can总线系统仿真模型

文章在matlab/simubbbb软件stateflow仿真环境中建立了16节点的can总线通信系统仿真模型。节点1-16的结构是相同的，节点模块如图1所示。

图1 节点模块

节点模块包括发送、缓存、数据采集3个部分。因为本次仿真主要研究can总线的通信性能，所以建立节点模型时，只考虑了其通信活动所涉及的部分，没有加入节点计算控制活动部分和数据接收部分。数据采集用于采集simubbbb中输入的数据，数据长度服从随机平均分布，在状态“有数据”中，数据被组装成can标准短帧。在实际系统中，数据可能是节点本身采集的现场检测数据，或是节点控制器输出的数据。“缓存”代表节点的缓冲器，这里假设容量为1.包括两个状态：“空”和“非空”.数据被采集并组装成can标准短帧后，触发由“空”到“非空”的转换，将节点信息放在等待发送的缓冲器中，发送完成后，返回“空”状态，等待下一次触发。“发送”代表节点发送部分，当缓冲器有数据等待传输时，触发由“停止”到“等待”的转换，进入等待状态；当总线仲裁允许本节点发送时，触发由“等待”到“传送”的转换，开始发送数据；当缓冲器的数据传送完成时，触发由“传送”到“停止”的转换，等待下一次发送。

图2 通信调度模块

通信调度模块，如图2所示。包括总线活动模块fieldbus和仲裁判断函数compete.fieldbus模块包括3个状态：“空闲”、“忙碌”、“帧间隔”.开始总线在“空闲”状态下，当有节点要发送信息时，用compete函数对待发节点进行仲裁，并触发由“空闲”到“忙碌”的转换；节点发送数据完成后，以“返回”事件触发由“忙碌”到“帧间隔”的转换；经过一个“帧间隔”后，回到“空闲”状态，等待下一次传输。compete函数对各节点的仲裁符合can仲裁机制，通过比较各待发节点的优先级，实现“线与”功能，将发送权给优先级高的节点。

以上所述的仿真平台简洁直观地解释了can网络的控制机理，并能动态地仿真其通信活动。

3 网络性能

3.1 性能指标

我们先介绍总线网络相关性能指标的相关定义。

网络负载率：单位时间内发出访问网络的节点数（需要传送的报文数）与网络大容量的比率。

吞吐量：单位时间内系统成功发送信息数量的均值。

平均信息时延：从信息发出传输请求到被成功地传输到目的节点所需要的平均时间。

通信冲突率：节点遭受通信冲突的概率。

网络利用率：单位时间内通道传送信息号的时间比率，即是通道处于忙碌状态的概率，它反映了通道被利用的情况。

网络效率：单位时间内通道成功传送的信息与通道发送信息的时间比率，即吞吐量与通道利用率两者间的比率。

负载完成率：所有节点运行完成后成功向总线上发送的报文帧的总个数与所有节点请求发送的报文帧的总个数的比率。

3.2 性能分析

仿真设定can总线传输速率为200kbit/s,总的运行时间为t=2s,并假设每一帧报文的数据长度为100bit,可以得知，can总线满负载时传输4000帧数据，表示为n=4000帧，即满负载时传输的数据帧的总长度为400kbit,表示为s=400kbit.通过设定各节点的发送周期，来调整负载率的大小。

can总线仿真模型中，输出参数含义分别为：u代表通道处于忙碌状态的总时间；thout代表所有节点发送的所有数据帧的总长度；fz代表所有节点产生的所有数据帧的总长度；b1-b16分别代表第1-16个节点每次运行完成后成功向总线上发送的数据帧的个数；p1-p16分别代表第1-16节点每次请求发送的数据帧的个数。

所以，吞吐量的计算公式为：

平均信息时延的计算公式为：

式中i表示节点编号（i=1~16）。

通信冲突率的计算公式为：

网络利用率的计算公式为：

网络效率的计算公式为：

负载完成率的计算公式为：

式中i表示节点编号（1~16）。

经过运行仿真模型，得到系统在负载分别为16%、33%、50%、81.5%、、125%、150%、175%、200%、230%、250%、280%、310%时的一系列仿真结果。

依据公式（1）-（6），我们分析了负载率从0.02到3.1的情况下，can总线通信系统中负载率的变化对网络吞吐量、平均信息时延、通信冲突率、网络利用率、网络效率以及负载完成率的影响。结果如图3-8中所示。

图3-8的变化趋势都是由can总线通信控制协议决定的，即总线空闲时，任一节点都有发起通信的权力，当多个节点同时发送产生冲突时，采用非破坏性位仲裁机制，低优先级节点停止发送，高优先级节点不受影响继续发送，从而可以避免总线冲突。

图3中，由于当负载率较低时，低优先级的信息可以竞争到总线权得以发送，随着负载率的增加，网络利用率提高，所以，吞吐量也随之增加，当负载率增加到一定程度时，只有高优先级的信息得以发送，此时吞吐量趋于饱和。

图3 吞吐量与负载率的关系

图4中，由于随着负载率的增加，信道主要用来发送高优先级的信息，而低优先级的信息却被长时间延迟甚至造成数据丢失，所以平均信息时延随着负载率的增加几乎呈线性增加。

图4 平均信息时延与负载率的关系

图5中，由于随着负载率增加，吞吐量增加，即单位时间内需要处理的信息量增加，信息发生冲突的机会也增加。而且随着负载率的增加，当吞吐量增加到趋于饱和后，信息发生冲突的机会也增加的较为缓和，即通信吞吐率增加的较为缓和。

图5 通信冲突率与负载率的关系

图6中，由于随着负载率增加，吞吐量随之增加，则单位时间内需要处理的信息量增加，从而使得通道的利用率增加。同时，通道由“忙碌”到“空闲”状态所用的帧间隔时间也增加，使得通道不可能连续不断地传输信号，这样随着吞吐量增加并趋于饱和时，网络利用率也随之增加并趋于1,但不会达到1。

图6 网络利用率与负载率的关系

图7中，由于随着负载率的而增加，吞吐量增加，而通道处于“忙碌”状态的总时间也在增加，并且在吞吐量达到饱和时，通道处于“忙碌”状态的时间也趋于稳定，所以，单位时间内通道成功传送的信息与通道发送信息的时间比率几乎不随着负载率变化而变化，基本在一个恒值附近微小变化。

图7 网络效率与负载率的关系

图8中，由于在负载率较低时，各优先级的信息都可以竞争到总线权得以发送，所有节点成功向总线上发送的数据帧的个数与请求发送的数据帧的个数相等或相差很小，但是随着负载率的增加，低优先级信息得不到发送，只有高优先级信息才得以发送，导致所有节点成功向总线上发送的数据帧的个数远小于请求发送的数据帧的个数。所以，负载完成率随着负载率的增加而减小，并且在负载较小时，负载完成率很大，几乎接近于1。

图8 负载完成率与负载率的关系

以上分析结果验证了can总线通信控制协议的特点。

4 结束语

运用matlab软件中stateflow工具箱来对can总线通信系统建模仿真切实可行，是现场总线协议分析与研究的又一途径。仿真模型能够完全描述协议的复杂逻辑关系，而且形象直观贴近实际系统，易于理解，也便于修改调试。