CN102347879A - 基于环型以太网和辅助网络的d-bus高速总线技术 - Google Patents

Abstract

基于环型以太网和辅助网络的D-BUS高速总线技术，属于工业控制技术领域。其特征是D-BUS(Dual-BUS)高速总线网络由高速环型以太网ReBUS和辅助网络MB+组成，其中，ReBUS总线利用IEEE802.3以太网物理层规范，将主站与从站以串联的方式组成环型拓扑结构，主站与从站，以及从站之间采用相同的接线方法，每个设备的接收端与前一个设备的发送端相连，该设备的发送端与后一个设备的接收端相连，依次连接组成环型的网络结构，I/O设备通过RS485串口与从站连接，作为从站的扩展I/O，另外采用MB+总线实现故障检测，包括故障诊断、故障定位和通信冗余。本发明的效果和益处是环型接线布线成本低，用一条报文完成所有网络节点的数据交换，通讯效率高，提供故障检测与故障恢复机制，可靠性高。

Description

基于环型以太网和辅助网络的D-BUS高速总线技术

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，涉及到该领域对数据传输的实时性和可靠性的要求，特别涉及到一种基于环型以太网和辅助网络的D-BUS高速总线技术。

背景技术

当前工业领域常用的以太网通信标准有：EtherNet/IP、Modbus/TCP、FF_HSE、ProfiNet以及我国自主研制的EPA等。各标准在网络协议、通信速率、传输距离、站点数量、功能安全等方面具有不同的特点。上述总线网络有的使用交换机进行网络连接，也有的采用环型网络进行连接。环型网络连接避免了交换形式的交换延时和布线复杂等问题。

工业以太网故障检测通常采用环型结构的MRP协议(Media RedundancyProtocol：媒体冗余协议)和DRP协议(Distributed Redundancy Protocol：分布式冗余协议)。MRP在ProfiNet***中较为常见，其采用主从方式进行故障探测与故障恢复；DRP在EPA***中较为常见，其采用分布方式各站主动进行故障探测与故障恢复。他们在检测方式、恢复方式、交换机配置等方面各具特点，但其检测对象都是交换机，并配置双网卡进行终端设备链接。存在设备成本高、布线复杂等问题。

常用的以太网故障检测方法有：自动协商检测、OAM(OperationAdministration Maintenance：操作管理维护)检测和BFD(Bidirectional ForwardingDetection：双向转发检测)检测等。自动协商检测利用以太网自动协商机制，用于检查线路问题，但要求主从设备的工作方式必须一致；OAM检测主要用于对节点、链路的监控即检测线路问题；BFD检测提供了一个通用的、标准化的、介质无关、协议无关的快速故障检测机制，主要对网络链接能力和***通信转发功能进行检测。他们在检测机制、检测功能、应用场合等方面各具特点，但存在诊断机制复杂，或功能单一，或无法实现故障定位与通信冗余等问题。

发明内容

本发明目的是提供一种D-BUS(Dual-BUS)高速总线网络，该网络由高速环型以太网ReBUS和辅助网络MB+组成。其中，ReBUS总线应用于实时数据通信；MB+总线则应用于故障诊断、故障定位和辅助通信等，解决工业控制技术领域设备成本高、布线复杂、功能单一、或无法实现故障定位与通信冗余等问题。

ReBUS总线使用IEEE802.3以太网物理层规范和环型拓扑结构，并通过网络通信协议实现主站与从站之间的数据通信。由于无需交换机，布线简单，避免报文碰撞。每个节点通信响应时间可达10us/100Bytes，高速的以太网总线可实现主从站与扩展IO设备之间的快速响应，满足工业控制领域的实时性要求。

在保证高速数据传输的前提下，D-BUS高速总线另外采用MB+总线实现故障检测，包括故障诊断、故障定位与通信冗余三项功能，因此，本发明适用于高可靠性的工业现场应用。

本发明所述的D-BUS高速总线技术包括三部分内容：网络结构，从站管理和故障检测，具体说明如下：

(1)网络结构

D-BUS总线的网络结构包括ReBUS总线、MB+总线、主站、从站和I/O设备五部分。其中，ReBUS总线利用IEEE802.3以太网物理层规范，将主站与从站以串联的方式组成环型拓扑结构。主站与从站，从站与从站之间采用相同的接线方法，即每个设备的接收端与前一个设备的发送端相连，且该设备的发送端与后一个设备的接收端相连，依次连接组成环型的ReBUS总线网络结构。MB+总线通过串口将主站与从站连接到同一总线上，并采用轮询方式对各从站进行故障检测。I/O设备通过RS485串口与从站连接，作为从站的扩展I/O，与主站进行数据通信。

(2)从站管理

D-BUS总线的从站管理通过ReBUS总线完成，包括通信协议和***管理两方面内容：

ReBUS网络通信协议包括七方面内容：帧结构、地址分类、寻址方式、通信服务、报文定义格式、命令定义、和存储器管理单元，实现主站与从站之间的数据通信。

帧结构，ReBUS网络通信协议是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在“以太网帧”内直接传送。ReBUS以太网帧包括多个子报文，该报文服务于逻辑过程映像区，该区域最大可达4GB。

地址分类，ReBUS通信协议为每个从站分配三个地址：设备地址、寄存器地址和逻辑地址。主站可通过这三个地址，对从站及其I/O设备进行管理、控制、读写等操作。

寻址方式，ReBUS从站支持不同的地址寻址模式。主要寻址方式有：逻辑寻址和设备寻址。

通信服务，ReBUS网络通信协议提供了四种通信服务，包括：读服务、写服务、读写服务和扩展服务。通过读服务，主站可读取一个或多个从站的寄存器数据；通过写服务，主站可将数据写到一个或多个从站的相应寄存器中，通过该服务，也可实现主从站之间的存储器管理单元配置；通过读写服务，主站可读写到一个或多个从站的寄存器数据；通过扩展服务，主站可获取各从站所带I/O设备的设备信息。

报文格式，ReBUS总线设备使用标准的IEEE802.3以太网帧结构传输ReBUS报文。每条报文的数据区包含多条子报文，主站可通过子报文完成多个从站及其I/O设备的读、写或读写操作。

命令定义，ReBUS网络通信协议提供的命令有十三种：自增读命令、自增写命令、节点读命令、节点写命令、广播读命令、广播写命令、逻辑读命令、逻辑写命令、逻辑读写命令、二级设备扫描命令、二级设备扫描完毕查询命令、二级设备个数读命令和二级设备类型读命令。主站可通过上述命令构成相应的子报文，完成与从站及其I/O设备的各种通信服务。

存储器管理单元，提供从站寄存器地址到逻辑地址的映射功能。***提供了4GB的逻辑地址映射空间。通过配置各个从站控制器中的存储器管理单元，可以把从站中的一段寄存器地址映射到逻辑地址空间的任何位置。

ReBUS总线的***管理包括三方面：通信管理、报文管理、数据交互。

通信管理，ReBUS通信管理主要分为三个阶段：设备初始化，即主站通过广播命令对所有的设备进行初始化；扫描配置，即主站扫描各从站的设备信息，并对各从站进行单独配置；实时通信，从站及其I/O设备经过配置上线以后，主站周期性的发送实时通信命令读写IO资源。这三个阶段需要主站与从站配合实现；

报文管理，主站进行ReBUS通信时需要管理的报文有十种：从站个数读取报文、从站内部寄存器清除报文、从站设备类型读取报文、从站节点地址配置报文、扩展I/O设备扫描报文、扩展I/O设备扫描完毕查询报文、扩展I/O设备个数读取报文、扩展I/O设备类型读取报文、存储器管理单元配置报文和实时通信报文。主站通过上述报文，便可实现与多个从站及其I/O设备的实时通信；

数据交互，ReBUS总线采用主从通信方式，通过一条报文完成与所有网络节点的数据交换；

(3)故障检测

ReBUS总线采用环型拓扑结构，总线中设备如果出现故障将导致环路断裂，使得实时通信报文发送中断。对高可靠性要求的工业现场，采用MB+总线实现故障诊断、故障定位与通信冗余。

故障诊断，主站通过MB+总线发送诊断报文进行故障诊断，从站的传输节点接收到诊断报文，判断诊断对象，若为自身则直接处理并做出应答；若为其I/O设备则转发给扩展I/O设备处理。主站分析应答报文，若有故障则确定故障类型。

故障定位，主站诊断到故障后，在确定故障类型的同时根据设备地址确定故障设备的位置，并报告给用户。

通信冗余，检测到ReBUS总线出现故障后，***将自动使用MB+总线继续通信，正常读写从站及其I/O设备的资源，进行各项通信操作，由MB+总线替代ReBUS进行数据通信。

本发明的效果和益处是：

D-BUS网络采用环型接线方式，方式简单，易于接线，布线成本低；

D-BUS网络的ReBUS总线定义了专有网络通信协议，实现了主站与从站之间高实时性数据通信；

D-BUS网络的ReBUS总线采用专用的报文格式，可通过一条报文完成所有网络节点的数据交换；

D-BUS网络具有高可靠性，通过MB+总线进行故障检测与故障恢复，保证***的稳定运行。

附图说明

图1是D-BUS总线网络结构图。

图2是ReBUS总线接线图。

图3是ReBUS报文格式图。

图4是存储器管理单元配置框图。

图5是逻辑地址示意图。

图6是ReBUS数据交互方式图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

(一)网络结构

D-BUS总线网络结构的实施方式从接线方式和组网方式两方面说明。

(1)组网方式

图1描述了D-BUS总线的网络结构。由ReBUS总线、MB+总线、主站、从站和I/O设备五部分组成。

ReBUS总线利用IEEE802.3以太网物理层规范，将主站与从站以串联的方式组成环型拓扑结构。主站与从站，从站与从站之间采用相同接线法，依次连接组成环型的ReBUS总线网络结构。

MB+总线通过串口将主站与从站连接到同一总线上，并采用轮询方式对各从站进行故障诊断、故障定位与通信冗余。当确定故障后，由MB+总线替代ReBUS总线进行数据通信。

主站作为整个***的控制中心，利用ReBUS和MB+两条总线，分别对从站及其I/O设备进行实时通信和故障检测。

从站以映射的方式为主站提供IO资源，并通过与主站的实时通信，将主站的控制信息应用于自动化控制中。同时，可通过RS485串口连接扩展I/O设备，为主站提供更多的IO资源。

I/O设备通过RS485串口与从站连接，作为从站的扩展I/O，与主站进行数据通信。

(2)接线方式

图2描述了ReBUS总线的接线方法。ReBUS总线采用环型接线法，即接线完毕后将主从设备连接在一个闭合的环型结构中，其中若有多个设备，包括主站在内，每3个设备A、B、C之间的接线方式为：设备A的发送端与设备B的接收端相连，设备B的发送端与设备C的接收端相连。以此方式依次连接组成一个环型结构。

MB+总线通过串口将主站与从站连接到同一总线上，即以总线方式将所有设备的串口接收端连接在一起，发送端连接在一起。使得MB+总线可以采用轮询扫描的方式，完成对所有设备的故障检测。

每一个从站都要配置两个串口，一个连接MB+总线，另一个连接扩展的I/O设备。从站与扩展I/O设备之间也采用总线方式连接，即将从站与扩展I/O设备连接到同一总线上。

(二)从站管理

从站管理的实施方式可以从以下两个方面叙述：

通信协议；

***管理；

(1)通信协议

ReBUS网络通信协议主要用来实现主站与从站之间的数据通信。该通信协议的实施方式可以从以下七个方面叙述：

帧结构

ReBUS帧结构对应的以太网帧类型为0x88A4。其数据顺序不依赖于网络中各从站的物理顺序，可任意编址。ReBUS采用直接以太网帧传输。具体结构如表1所示，

表1 ReBUS报文格式

地址分类

在ReBUS通信中主站与从站之间需要通过不同的地址进行寻址通信，共包括三种地址，即设备地址、寄存器地址、逻辑地址。具体说明如下：

设备地址，分为位置地址和节点地址，它标识了一组设备中的某一个设备。其中，位置地址是根据设备在环网中的位置设定的；节点地址是根据实际需要设定的。

寄存器地址，在从站中有很多寄存器其中包括IO资源、从设备信息等，寄存器地址与ModBus地址类似，标识了某个寄存器。

逻辑地址，用于定位一组设备中某个设备的某个寄存器，通过它可以访问到网络中的任意IO资源。

寻址方式

ReBUS从站支持不同的地址寻址模式，共包括四种寻址，即逻辑寻址、设备寻址，具体说明如下：

逻辑寻址，在一个段内，逻辑寻址方式下需要32位地址(包括16位从站设备地址和16位的从站的内部寄存器地址)。该寻址方式下，从站不是各自寻址而是在一个4GB的逻辑地址区内的区寻址。任何从站都可以使用该逻辑地址区。逻辑寻址模式适合于循环过程数据的传输。在逻辑寻址中，存储器管理单元处理本地寄存器地址与逻辑地址之间的映射。

设备寻址方式有位置寻址与节点寻址两种寻址机制。

位置寻址，ReBUS报文内32位地址被分成16位的从站设备地址和16位的从站的内部寄存器地址。主站通过从站的段内物理位置去寻址各从站。当报文经过每个从站时，从站会将帧内的16位设备地址域加1。

节点寻址，在起动阶段，通过位置寻址，主站给每个从站配置一个节点地址，以该地址寻址从站的方式称为节点寻址。当网络拓扑发生改变或者设备增加或删除时，这种机制保证主站能够通过相同的配置地址寻址到某一从站。

通信服务

ReBUS总线提供的通信服务包括：读服务、写服务、读写服务和用于与扩展I/O设备通信的扩展服务，各服务的具体实施方式如下：

通过读服务，主站可读取一个或多个从站的寄存器数据。ReBUS总线主要提供了四种读服务，如下所示。

自增地址物理读服务，通过该服务主站可根据从站在段中的物理位置寻址到从站，再读取该站中某一寄存器数据。

节点寻址物理读服务，通过该服务主站可根据从站的节点地址寻址到从站，再读取该站中某一寄存器数据。

逻辑读服务，通过该服务主站可读取一个或多个从站逻辑地址标识的寄存器数据。

广播读服务，通过该服务主站可读取所有包括该物理地址从站的寄存器数据。

通过写服务，主站可将数据写到一个或多个从站的相应寄存器中。ReBUS总线主要提供了四种写服务，如下所示。

自增地址物理写服务，通过该服务主站可根据从站在段中的物理位置寻址到从站，再将数据写到该站中某一寄存器中。

节点寻址物理写服务，通过该服务主站可根据从站的节点地址寻址到从站，再将数据写到该站中某一寄存器中。

逻辑写服务，通过该服务主站可将数据写到一个或多个从站逻辑地址标识的寄存器中。

广播写服务，通过该服务主站可将数据写到所有包括该物理地址从站的寄存器中。

通过读写服务，主站可读写一个或多个从站的寄存器数据。ReBUS总线主要提供了一种读写服务，如下所示。

逻辑读写服务允许主站写或读一个或多个从站逻辑地址标识的寄存器数据。从站能够从ReBUS帧中提取数据(写操作)，同时可以将数据***到同一帧中(读操作)。

通过扩展服务，主站可获取各从站所带I/O设备的设备信息。ReBUS总线主要提供了四种扩展服务，如下所示。

扩展I/O设备扫描服务，通过该服务主站可通知从站发送扫描从设备报文，使其所带I/O设备上线。

扩展I/O设备扫描完毕查询服务，通过该服务主站可根据从站的设备地址寻址到从站，再读取该站中某一寄存器数据，判断从站是否完成扫描工作。

扩展I/O设备个数读服务，通过该服务主站可根据从站的设备地址寻址到从站，读取该站中某一寄存器数据，获取扩展I/O设备的个数。

扩展I/O设备类型读服务，通过该服务主站可根据从站的设备地址寻址到从站，读取该站中某一寄存器数据，获取扩展I/O设备的类型等设备信息。

报文格式

图3描述了在以太网帧结构中的ReBUS报文格式及参数。ReBUS总线设备使用标准的IEEE802.3以太网帧结构传输ReBUS报文，并保留22字节以太网报文头，包括8个字节的前导字符，6个字节的目的地址，6个字节的源地址地址和2个字节的以太网帧类型。长度字段表示ReBUS数据区长度。CRC为校验字段如表2所示。

表2 以太网帧结构中的ReBUS报文编码表

ReBUS数据区中有多条子报文，在该报文中“报文类型”字段为功能命令号。“寄存器地址”字段为要读写数据的逻辑起始地址，该值由设备地址和设备内部寄存器地址共同组成，在自增寻址和广播寻址中，每经过一个从站，“设备地址”加1。每经过一个从站，设备计数值加1，如表3所示。

表3 ReBUS子报文编码表

在ReBUS子报文中，ID字段规定了子报文功能，其中每个功能号对应一种服务类型。报文中的逻辑地址与长度字段规定了子报文可操作的逻辑地址范围。

命令定义

在ReBUS协议中提供了13种命令，各命令的定义如下：

自增读命令，该命令用于自增地址物理读服务，采用位置寻址方式，读取从站中某一寄存器数据。

自增写命令，该命令用于自增地址物理写服务，采用位置寻址方式，将数据写到从站中某一寄存器中。

节点读命令，该命令用于节点寻址物理读服务，采用节点寻址方式，读取从站中某一寄存器数据。

节点写命令，该命令用于节点寻址物理写服务，采用节点寻址方式，将数据写到从站中某一寄存器中。

广播读命令，该命令用于广播读服务，采用广播方式，读取所有包括该寄存器地址从站的寄存器数据，且采用该命令的报文中“寄存器地址”字段为0。

广播写命令，该命令用于广播写服务，采用广播方式，将数据写到所有包括该寄存器地址从站的寄存器中，且采用该命令的报文中“寄存器地址”字段为0。

逻辑读命令，该命令用于逻辑读服务，采用逻辑寻址方式，读取一个或多个从站中逻辑地址标识的寄存器数据。

逻辑写命令，该命令用于逻辑写服务，采用逻辑寻址方式，将数据写到一个或多个从站中逻辑地址标识的寄存器中。

逻辑读写命令，该命令用于逻辑读写服务，采用逻辑寻址方式，写或读一个或多个从站中逻辑地址标识的寄存器数据。实现通过一条报文完成所有网络节点的数据交换。

二级设备扫描命令，该命令用于扩展I/O设备扫描服务，采用设备寻址方式，通知从站发送扫描从设备报文，使得其所带I/O设备上线。

二级设备扫描完毕查询命令，该命令用于扩展I/O设备扫描完毕查询服务，采用设备寻址方式，读取该站中某一寄存器数据，判断从站是否完成扫描工作。

二级设备个数读命令，该命令用于扩展I/O设备个数读服务，采用设备寻址方式，读取该站中某一寄存器数据，获取扩展I/O设备的个数。

二级设备类型读命令，该命令用于扩展I/O设备类型读服务，采用设备寻址方式，读取该站中某一寄存器数据，获取扩展I/O设备的设备类型、序列号等。

存储器管理单元

存储器管理单元提供了从站寄存器地址到逻辑地址的映射功能，并提供了4GB的逻辑地址映射空间。

图4描述了存储器管理单元的配置。通过配置各个从站控制器中的存储器管理单元，就可以把从站中的一段寄存器地址映射到逻辑地址的任何位置。当主站通过逻辑方式写数据到从站时，把数据放到数据帧相应逻辑地址位置上，当数据帧经过寻址的从站时，从站控制器得到相应数据并且通过存储器管理单元把数据映射到相应寄存器中；当从站传输数据到主站时，把寄存器数据通过存储器管理单元***到相应数据帧逻辑地址中发送到主站。

图5描述了逻辑地址映射关系。在通信过程中，从站首先判断报文中指定的逻辑地址范围(逻辑地址与长度字段)是否包含自身寄存器地址的映射值，如果包含则根据映射关系执行读或写操作。同时，地址映射允许设备将同一逻辑地址根据操作类型不同映射为不同寄存器地址，方便读写操作。

在逻辑地址映射中，若从站连接了扩展I/O设备，则映射寄存器地址时需要将存储扩展I/O设备资源的寄存器地址映射到相应的逻辑地址上。这样，主站可通过实时通信报文同时对从站及其I/O设备进行读写操作。

(2)***管理

ReBUS总线的***管理的实施方式可以从以下三个方面叙述：

通信管理

ReBUS通信管理主要分为三个阶段：设备初始化、扫描配置、和实时通信。这三个阶段需要主站与从站配合实现。

设备初始化阶段主要操作包括：读取从站个数，清除设备的内部寄存器(设备地址、存储器管理单元等)。扫描配置阶段主要操作包括：扫描从站的设备类型及序列号等设备信息，配置从站节点地址与存储器管理单元。逻辑地址映射通过配置存储器管理单元实现，主站根据通信要求确定各从站内部寄存器地址与逻辑地址映射关系，通过节点地址寻址从站，配置从站控制器中的存储器管理单元。经过上述两个阶段，主站已掌握从站个数与设备信息，各从站已被分配节点地址并确定逻辑地址映射关系。在实时通信阶段主站只需周期性发送逻辑读写报文即可实现对从站的读写操作。

在通信过程中，若主站需要与从站所带I/O设备通信，则需要扫描扩展I/O设备，确定每个从站所带I/O设备的个数与类型信息，并重新配置存储器管理单元，即可实现对扩展I/O设备的读写操作。

报文管理

在ReBUS通信中需要的通信报文共有十种，具体如下：

从站个数读取报文，该报文采用广播读命令，命令号为0x07，报文格式参照表3。该报文每经过一个从站，设备位置地址加1，从而通过回应的设备位置地址值，获取从站个数。

从站内部寄存器清除报文，该报文采用广播写命令，命令号为0x08，报文格式参照表3。主站将初始数据写到所有包括该物理地址从站的寄存器中。对从站内部寄存器进行清除操作。

从站设备类型读取报文，该报文采用自增读命令，命令号为0x01，报文格式参照表3。主站根据从站在段中的物理位置寻址到从站，读取该站相应寄存器数据，获取从站的设备类型、序列号等。

从站节点地址配置报文，该报文采用自增写命令，命令号为0x02，报文格式参照表3。主站根据从站在段中的物理位置寻址到从站，将配置的节点地址写入到该站的相应寄存器中，完成节点地址的配置。

扩展I/O设备扫描报文，该报文采用二级设备扫描命令，命令号为0x0E，报文格式参照表3。从站接收到该命令号，发送扫描从设备报文，使得扩展I/O设备上线。

扩展I/O设备扫描完毕查询报文，该报文采用二级设备扫描完毕查询命令，命令号为0x0F，报文格式参照表3。主站会周期性发送该报文，根据从站在段中的设备地址寻址到从站，读取该站相应寄存器数据，确定该站是否完成对扩展I/O的扫描工作。若所有从站都完成该工作，主站将停止发送该报文。

扩展I/O设备个数读取报文，该报文采用二级设备个数读取命令，命令号为0x10，报文格式参照表3。主站根据从站在段中的设备地址寻址到从站，读取该站相应寄存器数据，获取扩展I/O设备的个数。

扩展I/O设备类型读取报文，该报文采用二级设备类型读取命令，命令号为0x11，报文格式参照表3。主站根据从站在段中的设备地址寻址到从站，读取该站相应寄存器数据，获取扩展I/O设备的设备类型、序列号等。

存储器管理单元配置报文，该报文采用节点写命令，命令号为0x05，报文格式参照表3。主站根据从站的节点地址寻址到从站，将逻辑映射关系写入到该站的相应寄存器中，完成存储器管理单元的配置。

实时通信报文，该报文采用逻辑读写命令，命令号为0x0C，报文格式参照表3。主站根据逻辑地址寻址到从站。主站通过对一个或多个从站中逻辑地址标识的寄存器进行数据的读写操作，不断的读写从站及其I/O设备的资源。

注意：上述报文中有四种是可选报文，即扩展I/O设备扫描报文、扩展I/O设备扫描完毕查询报文、扩展I/O设备个数读取报文、扩展I/O设备类型读取报文。这四条报文可根据用户需要选择是否发送，若主站需要与扩展I/O设备通信，则发送这四种报文，否则不发送。

数据交互

图6描述了ReBUS数据交互的方式。ReBUS总线采用主从通信方式。主站周期发送实时通信报文，从站根据配置从报文指定位置拷贝输出数据，并回填采集数据，然后将报文传送至下一节点。如此循环，当报文回到主站接收端时，完成全部从站的读写操作。

注意：若从站带有I/O设备，则主站与从站之间的数据交互，包括主站与扩展I/O设备之间的数据交互。

(三)故障检测

ReBUS总线中设备如果出现故障将导致环路断裂，使得实时通信报文发送中断。对高可靠性要求的工业现场，采用MB+总线实现故障检测。

MB+总线提供了周期查询和故障触发，两种方式检测环路是否发生故障。周期查询方式是指：主站通过MB+总线定时向从站发送诊断报文，通过该报文可确定从站是否发生故障，若发生故障，并确定故障类型及故障设备的位置，在此方式下，MB+总线将一直处于工作状态。故障触发方式是指：若主站发出的实时通信报文响应超时，会根据配置重试指定次数，如果仍然超时，则启动MB+总线进行故障检测；反之，则不启动。用户可根据需要选择MB+总线的故障检测方式。无论在那种方式下，启动MB+总线进行故障检测，主站都会周期性的对各从站发送诊断报文，并采用扫描方式完成所有网络节点的故障检测。主站分析各从站回应的报文，确定故障类型和故障设备，并自动关闭ReBUS总线使用MB+总线进行通信。

MB+总线故障检测的实施方式可以从以下三个方面叙述：

故障诊断；

故障定位；

通信冗余。

(1)故障诊断

启动MB+总线进行故障检测，首先进行故障诊断，该故障诊断的实施方式可以从以下三个方面叙述：

诊断报文

主站利用MB+总线对从站及其I/O设备进行故障诊断时，需要发送两种诊断报文，分别称为从站故障诊断报文和扩展I/O设备故障诊断报文。

从站故障诊断报文，采用通用的3号Modbus指令，通过读取从站的故障信息的存储区，获得设备的故障信息，其报文格式如下：

从站故障诊断报文：

表4 MB+总线的从站故障诊断报文编码表

正响应报文：

表5 MB+总线的从站故障诊断正响应报文编码表

负响应报文：

超时。

扩展I/O设备故障诊断报文，采用自定义的31号Modbus指令，作为转发指令。该报文不能直接发送给扩展I/O设备，需要从站作为中间转发站。主站将该报文发送给从站，从站根据功能号，判断其为转发报文，便去掉该报文前两个字节的从站信息和后两个字节的校验信息，重新打包，转发给扩展I/O设备。对于扩展I/O设备的响应报文，从站仍需重新打包处理，才能回发给主站。其报文格式如下：

扩展I/O设备故障诊断报文：

表6 MB+总线的扩展I/O设备故障诊断报文编码表

正响应报文：

表7 MB+总线的扩展I/O设备故障诊断正响应报文编码表

负响应报文：

超时。

诊断过程

MB+总线进行故障诊断时采用总线工作方式。主站采用轮询方式周期的将诊断报文发送到总线上，从站根据自身的设备地址，判断是否接受诊断报文，若诊断报文指定位置的输出数据与某从站的设备地址一致，则该从站接受此报文，并根据功能号，判断该报文的诊断对象，功能号为0x03则将自身的故障信息以正响应报文的方式发送给主站；功能号为0x1F则去掉此报文前两个字节的从站信息和后两个字节的校验信息，重新打包，转发给所带I/O设备，并将I/O设备的响应信息，重新处理打包，再回发给主站。如此轮询一周，主站便完成对全部从站及其I/O设备的故障诊断。

故障类型

本发明所设计的故障检测***可识别的故障共分三个级别。最高级别的故障为硬件类故障，此类故障会影响***的性能或直接导致设备死机。其次是环路通信故障，此类故障会导致***通信中断或错乱。再次是软件级别故障，此类故障可以在不停止运行的情况下通过软件的方式进行修复。

主站收到回应报文后，分析从站及其I/O设备回应的故障信息，判断他们是否有故障发生，若有故障，确定故障类型。在回应报文中设备的故障信息存放在指定的6个字节中，每个故障级别占2个字节共计16位。高4位表示故障级别，共分三个级别。剩余12位表示在该故障级别下的故障类型。

(2)故障定位

通过故障诊断，确定故障类型后，主站应进行故障定位，确定发生故障的位置，并及时报告故障节点，提示用户维护。下面说明一下故障定位具体的实施过程。

每个从站或扩展I/O设备都有设备地址，该地址可作为定位标志。当主站发送诊断报文时，从站及其I/O设备根据自身的设备地址，选择要接受的诊断报文，并在响应信息中回填自己的设备地址。因此，主站在确定故障类型的同时便确定故障设备的位置，及时完成故障定位，并可以第一时间通知用户进行故障处理。

(3)通信冗余

检测到ReBUS总线出现故障后，***将自动使用MB+总线继续通信，正常读写IO数据，完成各项通信操作。由于MB+总线采用串口通信，与ReBUS总线相比通信速度较低。

通信报文

主站利用MB+总线对从站及其I/O设备进行通信冗余时，需要发送两种报文，分别称为从站实时通信报文和扩展I/O设备实时通信报文。

从站实时通信报文，采用自定义的65号Modbus指令，构成专用于MB+总线通信的报文。通过该报文对从站的IO资源进行读写操作，主站可通过一条该报文完成与某从站的数据交互，其报文格式如下：

从站实时通信报文：

表8 MB+总线的从站实时通信报文编码表

正响应报文：

表9 MB+总线的从站实时通信正响应报文编码表

负响应报文：

超时。

扩展I/O设备实时通信报文，同样采用自定义的31号Modbus指令，作为转发指令。其通信方式与扩展I/O设备故障诊断报文相似，同样需要从站作为中间转发站。主站将该报文发送给从站，从站根据功能号，判断其为转发报文，去掉该报文前两个字节的从站信息和后两个字节的校验信息，重新打包，转发给扩展I/O设备。对于扩展I/O设备的响应报文，从站仍需重新打包处理，才能回发给主站。其报文格式如下：

扩展I/O设备实时通信报文：

表10 MB+总线的扩展I/O设备实时通信报文

正响应报文：

表11 MB+总线的扩展I/O设备实时通信正响应报文

负响应报文：

超时。

通信过程

MB+总线进行通信冗余时采用一发一收的方式。主站根据不同从站对应的设备地址，与各从站及其I/O设备进行数据通信。从站根据自身的设备地址，判断是否接受该报文，若通信报文指定位置的输出数据与某从站的设备地址一致，则该从站接受该报文，并根据功能号，判断该报文的通信对象，功能号为0x41则根据配置从报文指定位置拷贝输出数据，并回填采集数据，以正响应报文的方式发送给主站；功能号为0x1F则去掉此通信报文前两个字节的从站信息和后两个字节的校验信息，重新打包，转发给所带I/O设备，并将I/O设备的响应信息，重新处理打包，再回发给主站。主站可通过一条该报文完成与某从站或扩展I/O设备的数据交互，如此轮询一周，便实现对所有从站及其I/O设备的IO资源映射。

通过上述叙述，采用MB+总线实现故障检测的过程可以概括为以下三点：

发送诊断报文进行故障诊断，若发生故障，确定故障类型；

进行故障定位，报告故障节点，提示用户维护；

终止ReBUS总线，使用MB+总线代替ReBUS总线继续通信。

当检测到故障节点后，如果用户替换故障节点，手工复位，则重复执行上述操作，恢复ReBUS总线通信功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于环型以太网和辅助网络的D-BUS高速总线技术，其特征是：

D-BUS(Dual-BUS)高速总线网络由高速环型以太网ReBUS和辅助网络MB+组成；

ReBUS总线技术的物理层采用IEEE802.3以太网规范，将主站与从站以串联的方式组成环型拓扑结构，主站与从站，从站与从站之间采用相同的接线方法，每个设备的接收端与前一个设备的发送端相连，且该设备的发送端与后一个设备的接收端相连，依次连接组成环型的ReBUS总线网络结构；

I/O设备通过RS485串口与从站连接，作为从站的扩展I/O，与主站进行数据通信；

D-BUS高速总线另外采用MB+总线技术，通过串口将主站与从站连接到同一总线上，并采用轮询方式对各从站进行故障检测，包括故障诊断、故障定位与通信冗余三项功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于环型以太网和辅助网络的D-BUS高速总线技术，其特征是：

ReBUS总线技术使用标准的IEEE802.3以太网帧结构传输ReBUS报文，每条报文的数据区包含多条子报文，主站可通过子报文完成对多个从站及其I/O设备的读、写或读写操作；

ReBUS总线技术提供四种通信服务，包括：读服务、写服务、读写服务和扩展服务，通过读服务，主站可读取一个或多个从站的寄存器数据；通过写服务，主站可将数据写到一个或多个从站的相应寄存器中，通过该服务，也可实现主从站之间的存储器管理单元配置，通过读写服务，主站可读写到一个或多个从站的寄存器数据，通过扩展服务，主站可获取各从站所带I/O设备的设备信息；

ReBUS总线技术提供十三种命令：自增读命令、自增写命令、节点读命令、节点写命令、广播读命令、广播写命令、逻辑读命令、逻辑写命令、逻辑读写命令、二级设备扫描命令、二级设备扫描完毕查询命令、二级设备个数读命令和二级设备类型读命令，主站通过上述命令完成与从站及其I/O设备的通信服务；

ReBUS通信过程分为三个阶段：初始化，即主站通过广播命令对所有的从站及其I/O设备进行初始化；扫描配置，即主站扫描各从站及其I/O设备的信息，并分别进行配置；实时通信，从站及其I/O设备经过配置以后，主站周期性的发送实时通信命令读写从站及其IO设备的资源；

ReBUS总线采用主从通信方式，通过一条报文完成与所有网络节点的数据交换，或通过多条报文分别于每个网络节点交换数据；

ReBUS总线采用环型拓扑结构，总线中设备如果出现故障导致环路断裂，使得实时通信报文发送中断，则通过MB+总线技术实现故障诊断、故障定位与通信冗余；

主站通过MB+总线发送诊断报文进行故障诊断，从站的传输节点接收到诊断报文，判断诊断对象，若为自身则直接处理并做出应答，若为I/O设备则转发给扩展I/O设备处理，主站分析应答报文，确定是否发生故障和故障的类型；

主站诊断到故障后，在确定故障类型的同时根据设备地址确定故障设备的位置；

检测到ReBUS总线故障后，使用MB+总线替代ReBUS总线进行数据通信。

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