一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)方法，對各從站端口設(shè)定端口超時參數(shù)；當(dāng)斷線故障發(fā)生時，等待超時參數(shù)所設(shè)定的時間后，向主站發(fā)送返回幀；根據(jù)主站第一端口收到返回幀與否判定是否發(fā)生斷線故障；并根據(jù)主站第二端口接收到返回幀與否，判定數(shù)據(jù)幀正向傳輸是否正常；另一方面，主站發(fā)送帶時間戳報文的數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)從站返回的數(shù)據(jù)幀的時間戳獲取從站間的傳輸延時，根據(jù)該傳輸延時對各從站進(jìn)行時鐘調(diào)整，實現(xiàn)從站間的時鐘粗同步；之后主站在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀對從站寫入補償因子，各從站根據(jù)補償因子進(jìn)行漂移補償與偏移補償，實現(xiàn)從站間的時鐘精確同步；該方法可實時響應(yīng)斷線故障，在一個插補周期之內(nèi)實現(xiàn)時鐘同步恢復(fù)，具有高可靠性和高實時性。
【專利說明】
一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)年來，由于工業(yè)以太網(wǎng)在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿黠@優(yōu)勢、技術(shù)成熟、價格低、易于組網(wǎng)、便于使用等特性，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到快速的發(fā)展。
[0003]在工控領(lǐng)域中，對于工業(yè)現(xiàn)場加工的機械振動以及可能的人為無意識舉動導(dǎo)致的斷線或松動故障，一般采用物理加固或采用更為結(jié)實的接線方式來防止可能出現(xiàn)的斷線或松動故障;或改變傳輸介質(zhì)將電纜保護(hù)拖鏈配置為短棒的形式以防備斷線;在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，對于設(shè)備斷線故障的響應(yīng)是基于軟件層面進(jìn)行恢復(fù)，響應(yīng)的時間> = 5ms;對于高速高精的數(shù)控加工而言，為了保證數(shù)據(jù)的有效性及加工的可靠性和穩(wěn)定性，要求在一個插補周期(Ims)內(nèi)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊并將數(shù)據(jù)安全送達(dá)。因此，普通的物理加固或改變傳輸介質(zhì)及互聯(lián)網(wǎng)僅從軟件層響應(yīng)斷線故障的方法，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的高實時性要求，需尋求適用于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)方法，其目的在于提供工業(yè)以太網(wǎng)斷線檢測及時鐘同步恢復(fù)的實時。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測方法，基于一個由主站與若干從站冗余組建的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，主站與從站均具有兩個端口 ；具體如下:
[0006]( i)對各從站第一端口和第二端口設(shè)定端口超時參數(shù)；當(dāng)斷線故障發(fā)生時，等待超時參數(shù)所設(shè)定的時間后，向主站發(fā)送返回幀；
[0007](2)主站第一端口判斷是否收到返回幀，若否，則判定為數(shù)據(jù)幀丟失，發(fā)生斷線故障;若是，則根據(jù)主站第一端口接收到的返回幀里的ST標(biāo)識判斷數(shù)據(jù)幀所經(jīng)過的從站信息，包括所流過從站的數(shù)目，流過哪幾個從站；
[0008]其中，ST為數(shù)據(jù)幀報文中的參數(shù)，定義如下:當(dāng)尋址方式為順序?qū)ぶ贩绞綍r，ST為順序號；當(dāng)尋址方式為站地址尋址方式時為，ST為站地址；當(dāng)尋址方式廣播方式時，ST為廣播號；
[0009](3)主站第二端口根據(jù)是否接收到返回幀，獲取數(shù)據(jù)幀正向傳輸方向的斷線故障信息;若主站第二端口收到返回幀，則表明由主站第一端口至從站的正向傳輸方向的無斷線故障；若主站第二端口未收到返回幀，貝lJ判定由主站至從站的數(shù)據(jù)幀正向傳輸方向發(fā)生斷線故障。
[0010]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測方法，在步驟(3)后還包括如下步驟:根據(jù)主站第一端口與第二端口接收到返回幀的情況，及從站端口超時參數(shù)啟用狀態(tài)，判斷斷線故障位置；
[0011]具體地，當(dāng)主站第一端口與第二端口均未收到返回幀，判定為主站第一端口出現(xiàn)斷線故障；
[0012]當(dāng)主站第一端口接收到返回幀，但從ST標(biāo)識獲取到的從站數(shù)目錯誤，且主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第一端口與第二端口之間的從站端口發(fā)生斷線故障；
[0013]當(dāng)主站第一端口接收到返回幀，且從ST標(biāo)識獲取到的從站數(shù)目無誤，但主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第二端口發(fā)生斷線故障；
[0014]當(dāng)主站第一端接收到返回幀，且從ST標(biāo)識獲取到的從站數(shù)目無誤，且主站第二端口收到返回幀，則判定網(wǎng)絡(luò)無斷線故障。
[0015]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測方法，對各從站設(shè)置的端口超時參數(shù)各不相同，以保證各從站返回幀的順序性；
[0016]各從站端口的超時參數(shù)具體為:該從站端口兩次收到主站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之間的累積片內(nèi)延時與傳輸延時之和。
[0017]為實現(xiàn)本發(fā)明目的，按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種工業(yè)以太網(wǎng)恢復(fù)時鐘同步的方法，具體如下:
[0018](i)主站發(fā)送帶時間戳的數(shù)據(jù)幀；當(dāng)該數(shù)據(jù)幀到達(dá)各個從站時，由從站記錄時間戳;主站根據(jù)從站返回的數(shù)據(jù)幀獲取從站間的傳輸延時，根據(jù)該傳輸延時對各從站進(jìn)行時鐘調(diào)整，實現(xiàn)從站的第一次時鐘同步；
[0019](ii)主站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀對從站寫入補償因子，各從站根據(jù)補充因子進(jìn)行漂移補償與偏移補償，實現(xiàn)從站的第二次時鐘同步；
[0020]其中，從站的第一次時鐘同步是粗略同步，從站的第二次時鐘同步是精確同步；
[0021]其中，數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)倪^程中，時間戳?xí)由蠌恼镜钠瑑?nèi)延時;時間戳內(nèi)記錄數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口的時間信息和該數(shù)據(jù)幀離開端口的本地時間信息;離開端口的本地時間為從站收到數(shù)據(jù)幀與發(fā)出數(shù)據(jù)幀之間的片內(nèi)延時。
[0022]優(yōu)選地，在上述工業(yè)以太網(wǎng)斷線故障情況下，所述步驟(i)中，主站根據(jù)從站返回的數(shù)據(jù)幀獲取從站傳輸延時并對從站進(jìn)行時鐘調(diào)整的方法具體如下:
[0023]當(dāng)主站第一端口出現(xiàn)斷線故障，則從主站第二端口發(fā)送相同的數(shù)據(jù)幀，由主站第二端口至從站的反向傳輸方向流過所有從站，根據(jù)各從站的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)該傳輸延時進(jìn)行從站的時鐘同步調(diào)整；
[0024]當(dāng)主站第二端口出現(xiàn)斷線故障，根據(jù)主站第一端口收到的返回幀的時間戳，獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)該傳輸延時進(jìn)行從站的時鐘同步調(diào)整；
[0025]當(dāng)從站端口發(fā)生斷線故障，則在主站第一端口在收到返回幀后，從主站第二端口發(fā)送增強幀;再由主站第一端口根據(jù)該增強幀對應(yīng)的返回幀的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)該傳輸延時進(jìn)行從站的時鐘同步調(diào)整;其中，增強幀用于準(zhǔn)確獲取從站與參考從站間的傳輸延時。
[0026]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網(wǎng)時鐘同步恢復(fù)的方法中，在主站上外接帶有網(wǎng)口與PCIe接口的協(xié)處理器進(jìn)行故障檢測和時鐘同步恢復(fù)，以增強實時性，將對斷線故障的響應(yīng)時間控制在Ims之內(nèi)。
[0027]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網(wǎng)時鐘同步恢復(fù)的方法中，所有從站均關(guān)閉發(fā)送端與接收端的自動協(xié)商功能。
[0028]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0029](I)本發(fā)明提出的工業(yè)以太網(wǎng)斷線故障檢測的方法，通過接收到的端口返回幀狀態(tài)和端口超時參數(shù)狀態(tài)，定位判斷斷線故障所在端口，具有簡單高效的特定；
[0030](2)本發(fā)明提出的工業(yè)以太網(wǎng)時鐘同步恢復(fù)的方法，通過實時處理各從站的返回幀獲取傳輸時延;其優(yōu)選方案通過實時處理增強幀以及外接協(xié)處理器進(jìn)行故障檢測和時鐘同步恢復(fù)，將系統(tǒng)對斷線故障的響應(yīng)控制在Ims之內(nèi)，進(jìn)一步提高了時鐘同步恢復(fù)的實時性。
【附圖說明】
[0031]圖1是實施例采用的N2CC端口示意圖；
[0032]圖2為實施例中端口超時參數(shù)計算示意圖；
[0033]圖3為實施例中主站端口A斷線或松動示意圖；
[0034]圖4為實施例中主站端口B斷線或松動示意圖；
[0035]圖5為實施例中的工業(yè)以太網(wǎng)冗余連接示意圖。
【具體實施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0037]實施例所提供的工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測及時鐘同步恢復(fù)方法，所基于的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為:主站采用帶有UbuntuH操作系統(tǒng)的PC機，主站采用NCUC2.0系統(tǒng)，從站節(jié)點采用帶有DC (分布式時鐘)和N2CC的3個I/O從站組成冗余連接系統(tǒng)。如圖1所示，從站芯片接收端Rx和發(fā)送端Tx選定，經(jīng)過的Pdu(從站處理單元)順序決定了從站在系統(tǒng)中的邏輯順序，當(dāng)斷線故障發(fā)生時，從站的邏輯順序不發(fā)生改變。
[0038]如圖2所示，在本實施例中，主站和從站節(jié)點冗余連接，測得to = 240ns，tl =280ns，t2 = 288ns，D1 = Ons，D2 = 344ns，D3 = 356ns;其中，tO是指第一從站片內(nèi)延時，tl是指第二從站片內(nèi)延時，t2是指第三從站片內(nèi)延時;Dl、D2、D3分別是指三個從站與參考從站間的傳輸延時;實施例中，超時參數(shù)設(shè)定為100ns。
[0039]如圖3所示，當(dāng)主站與第一從站間出現(xiàn)斷線故障時，主站經(jīng)過端口超時參數(shù)所設(shè)定的時間收到返回幀，并將此返回幀從第二端口重新發(fā)出，發(fā)出的數(shù)據(jù)幀負(fù)向流過所有從站，主站第二端口收到返回幀并根據(jù)時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)該傳輸延時對從站進(jìn)行時鐘同步。
[0040]如圖4所示，當(dāng)?shù)谝粡恼九c第二從站間出現(xiàn)斷線故障時，檢測到從站I的端口I超時參數(shù)開啟，且主站端口A和端口B收到的數(shù)據(jù)幀情況，判斷從站O與從站I之間發(fā)生斷線故障，等待I OOOns，數(shù)據(jù)幀從從站端口 O發(fā)送返回幀；
[0041]當(dāng)主站網(wǎng)口A收到返回幀，則將增強幀從網(wǎng)口B發(fā)出，根據(jù)增強幀的返回幀獲取傳輸延時，實現(xiàn)3個從站時鐘同步。
[0042]圖5所示，是實施例中的工業(yè)以太網(wǎng)冗余連接示意圖，其主站上外接有協(xié)處理器，該協(xié)處理器帶有網(wǎng)口與PCIe接口，輔助主站進(jìn)行故障檢測和時鐘同步恢復(fù);通過硬件處理，可增強實時性，將對斷線故障的響應(yīng)時間控制在Ims之內(nèi)。
[0043]將本發(fā)明所提供的故障檢測與時鐘同步恢復(fù)方法應(yīng)用到具體的工業(yè)以太網(wǎng)中，在出現(xiàn)斷線故障時，可在Ims內(nèi)可以完成約1000個從站的斷線故障響應(yīng)，可滿足工業(yè)以太網(wǎng)斷線故障檢測與時鐘同步恢復(fù)的高實時性要求。與互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備斷線后的響應(yīng)恢復(fù)時間的實時性比較而言，本發(fā)明具有實時性方面的優(yōu)勢，可以很好地應(yīng)用于高實時性的工業(yè)現(xiàn)場。
[0044]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種工業(yè)以太網(wǎng)的斷線故障檢測方法，基于一個由主站與若干從站構(gòu)成的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng);其特征在于，包括如下步驟: (1)對各從站端口設(shè)定端口超時參數(shù)；當(dāng)斷線故障發(fā)生時，等待超時參數(shù)所設(shè)定的時間后，從站向主站發(fā)送返回幀； (2)判斷主站第一端口是否收到返回幀，若否，則判定為數(shù)據(jù)幀丟失，發(fā)生斷線故障;若是，則根據(jù)主站第一端口接收到的返回幀里的ST標(biāo)識判斷數(shù)據(jù)幀所經(jīng)過的從站的信息； (3)根據(jù)主站第二端口是否接收到返回幀，判定數(shù)據(jù)幀正向傳輸是否正常。2.如權(quán)利要求1所述的斷線故障檢測方法，其特征在于，在所述步驟(3)后還包括如下步驟:根據(jù)主站第一端口與第二端口接收到返回幀的情況，及從站端口超時參數(shù)啟用狀態(tài)，判定斷線故障點； 當(dāng)主站第一端口與第二端口均未收到返回幀，判定為主站第一端口出現(xiàn)斷線故障； 當(dāng)主站第一端口接收到返回幀，但從ST標(biāo)識獲取到的從站數(shù)目錯誤，且主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第一端口與第二端口之間的從站端口發(fā)生斷線故障； 當(dāng)主站第一端口接收到返回幀，且從ST標(biāo)識獲取到的從站數(shù)目無誤，但主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第二端口發(fā)生斷線故障； 當(dāng)主站第一端接收到返回幀，且從ST標(biāo)識獲取到的從站數(shù)目無誤，且主站第二端口收到返回幀，則判定網(wǎng)絡(luò)無斷線故障。3.如權(quán)利要求1或2所述的斷線故障檢測方法，其特征在于，所述從站端口的超時參數(shù)為從站端口兩次收到主站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之間的累積片內(nèi)延時與傳輸延時之和。4.一種工業(yè)以太網(wǎng)的時鐘同步恢復(fù)方法，其特征在于，包括如下步驟: (i)主站發(fā)送帶時間戳的數(shù)據(jù)幀；當(dāng)所述數(shù)據(jù)幀到達(dá)各從站時，由從站記錄時間戳;主站根據(jù)從站返回的數(shù)據(jù)幀獲取從站的傳輸延時，根據(jù)所述傳輸延時對各從站進(jìn)行時鐘調(diào)整，實現(xiàn)從站的第一次時鐘同步； (ii)主站在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀內(nèi)對從站寫入補償因子，各從站根據(jù)所述補償因子進(jìn)行漂移補償與偏移補償，實現(xiàn)從站的第二次時鐘同步。5.如權(quán)利要求4所述的時鐘同步恢復(fù)方法，其特征在于，當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)生斷線故障時，所述步驟(i)中，主站根據(jù)從站返回的數(shù)據(jù)幀獲取從站傳輸延時并對從站進(jìn)行時鐘調(diào)整的方法具體如下: 當(dāng)主站第一端口出現(xiàn)斷線故障，則從主站第二端口發(fā)送相同的數(shù)據(jù)幀，由主站第二端口至從站的反向傳輸方向流過所有從站，根據(jù)各從站的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)所述傳輸延時進(jìn)行從站的時鐘同步調(diào)整； 當(dāng)主站第二端口出現(xiàn)斷線故障，根據(jù)主站第一端口收到的返回幀的時間戳，獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)所述傳輸延時進(jìn)行從站的時鐘同步調(diào)整； 當(dāng)從站端口發(fā)生斷線故障，則在主站第一端口在收到返回幀后，從主站第二端口發(fā)送增強幀;再由主站第一端口根據(jù)該增強幀對應(yīng)的返回幀的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據(jù)所述傳輸延時進(jìn)行從站的時鐘同步調(diào)整。6.如權(quán)利要求5所述的時鐘同步恢復(fù)方法，其特征在于，在主站上外接帶有網(wǎng)口與PCIe接口的協(xié)處理器進(jìn)行時鐘同步恢復(fù)，將對斷線故障的響應(yīng)時間控制在Ims之內(nèi)。7.如權(quán)利要求6所述的時鐘同步恢復(fù)方法，其特征在于，所有從站均關(guān)閉發(fā)送端與接收端的自動協(xié)商功能。
【文檔編號】H04L12/24GK105847050SQ201610167903
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】陳吉紅, 華臻, 吳棋, 楊立志, 方凡濤, 肖佩, 王軼鍇
【申請人】華中科技大學(xué)