一种适用于遥控水下作业系统的通信装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适用于遥控水下作业系统的通信装置，它包括水上子网络装置和水下子网络装置二部分，水上子网络装置由水上主控制器，多个水上从控制器，以及水上工业交换机，水上波分复用收发器构成，水上主控制器通过工业以太网与各水上从控制器电信号连接，并依次通过水上工业交换机和水上波分复用收发器与水下子网络装置电信号连接；水下子网络装置由水下主控制器，多个水下从控制器，以及水下工业交换机，水下波分复用收发器构成；水下主控制器通过工业以太网与各水下从控制器电信号连接，并依次通过水下工业交换机和水下波分复用收发器与水上子网络装置电信号连接。本实用新型可,以提高系统通信的可靠性和实时性，保证系统在H出现通信故障时具备应急回收能力。a
【专利说明】一种适用于遥控水下作业系统的通信装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及通信装备技术，特别涉及一种适用于遥控水下作业系统的通信装置。
【背景技术】
[0002]水下作业技术是非常广泛的领域，涉及国防军事、水利设施建设、抗洪抢险、海洋资源开发利用等。相比于陆地，水下作业环境更加恶劣，作业系统失效后救援回收困难，易造成重大人员或财产损失。因此水下智能作业系统是典型的安全关键系统，需要在设计时充分考虑系统的可靠性和应急功能。随着水下作业任务要求的不断提高，水下作业系统的复杂度也越来越高。传统的集中式控制结构存在主控制器负荷大、功能扩展难、容错能力差、故障率高等缺点；而基于工业通信网络的分布式控制结构则可以通过把控制功能下放到各本地控制器降低控制风险，提高系统的可扩展性和容错能力。
[0003]传统控制网络一般采用专用网络，如各种现场总线网络，多为短报文数据交换，强调通信延时的确定性和传输可靠性。由于以太网技术具有成本低、速度高、通用性等特点，目前已经逐步应用到一些实时控制领域，以取代原有的专用网络。为适应工业系统的实时性要求，工业以太网多采用基于时间片的分时调度方法，如Powerlink，Profinet I/O, EPA等，或者采用集总帧的方法，如EtherCAT。这些方法都需要专用的设备或协议来实现网络精确的时间同步，在一定程度上提高了系统的成本。而对于非实时数据，工业以太网仍采用传统的TCP/IP协议。
实用新型内容
[0004]本实用新型提出一种适用于遥控水下作业系统的通信装置，其特征在于，它包括水上子网络装置和水下子网络装置二部分，其中，
[0005]所述水上子网络装置由水上主控制器，多个水上从控制器，以及水上工业交换机，水上波分复用收发器构成，水上主控制器通过工业以太网与各水上从控制器电信号连接，并依次通过水上工业交换机和水上波分复用收发器与水下子网络装置电信号连接；
[0006]水下子网络装置由水下主控制器，多个水下从控制器，以及水下工业交换机，水下波分复用收发器构成；水下主控制器通过工业以太网与各水下从控制器电信号连接，并依次通过水下工业交换机和水下波分复用收发器与水上子网络装置电信号连接。
[0007]本实用新型针对大型遥控水下作业系统的实时性及可靠性要求，提出一种通信装置，具有如下优点:
[0008](I)通信装置设计双主从控制器完成并发调度，使交换机内不存在端口报文发送冲突，提高控制系统通信的确定性和实时性；
[0009](2)本发明采用双主从控制器有利于实现完备的通信错误检测机制，保证报文的完整性及系统的自检能力，提高系统的可靠性。
[0010](3)本实用新型由于采用双主从控制器可以保证在出现通信故障时具备应急回收能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型提出的遥控水下作业系统网络结构；
[0012]图2为本实用新型提出的一种双主从以太网调度时序图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0014]本实用新型提出的一种适用于遥控水下作业系统的通信装置，如图1所示，网络分为水上和水下两部分，水上主控制器，M个水上从控制器，以及水上工业交换机，水上波分复用收发器构成水上网络，水下主控制器，N个水下从控制器，以及水下工业交换机，水下波分复用收发器构成水下网络。M、N为大于等于I的正整数。
[0015]水上、水下子网络装置由水上主控制器和水下主控制器通过光纤进行远距离数据交换。
[0016]水上主控制器负责收集M个水上从控制器对水下作业平台的控制指令，并将这些指令打包成一个集成指令报文发送给水下主控制器。
[0017]水下主控制器接收到集成指令报文后，将控制指令分解转发至相应的N个水下从控制器，接收这些从控制器反馈的状态信息，并将其打包成一个水下网络的状态信息报文反馈给水上主控制器。
[0018]水上、水下工业交换机用于连接水上控制器和水下控制器。
[0019]水上、水下波分复用收发器用于实现信号的光电转换和远距离传输。
[0020]从网络拓朴上看，水上网络和水下网络分别以各自的工业交换机为根节点形成星型网络。若不进行通信调度管理，所有控制器均具有主动发起通信的能力，交换机通过存储转发机制来消除各端口的报文发送冲突，理论上讲冲突不会造成报文的丢失，但会造成报文延时的不确定性，特别是当网络通信负荷比较重时，这种延时的不确定性更加突出，以西门子工业交换机为例，有报文冲突时最高延时可达100毫秒，难以满足控制系统的实时性、确定性要求。
[0021]对于上述通信装置可以采用双主从确定性调度方式，使交换机所有端口不出现报文发送冲突，因而，节点间的通信时延仅由交换机的报文处理速度来决定，是确定性的。以西门子工业交换机为例，无报文冲突时交换机内的最高延时为10毫秒。水上主控制器是水上网络的主节点，负责调度管理水上的M个从控制器；水下主控制器是水下网络的主节点，负责调度管理水下的N个从控制器。水下主控制器同时受控于水上主控制器，只有当其接收到水上主控制器的指令报文后，才开始将该指令报文调度分发给水下其他控制器。
[0022]双主从以太网调度主要在水上主控制器和水下主控制器中实现，水上、水下各从控制器只需被动响应主控制器的调度报文。
[0023]假定水上主控制器代号为A，水下主控制器代号为B，Ai (i = 1,2,…，M)为水上主控制器对水上从控制器i的查询报文，?Α为水上从控制器i对水上主控制器回复的指令报文；AB为水上主控制器发送给水下主控制器的含有水上各从控制器对水下各从控制器指令的集成指令报文；Bj(j = 1,2,…，N)为水下主控制器对水下从控制器j的指令报文，JB为水下从控制器j对水下主控制器回复的控制器状态报文；BA为水下主控制器发送给水上主控制器的水下各控制器状态集成报文。本实用新型提出的调度时序如图2所示。
[0024]微调度时刻是指调度报文的发送时刻，即t = KT时刻，微调度周期是指两个相邻微调度时刻之间的间隔，即T。
[0025]其中T为微调度周期，其取值决定于从控制器对主控制器调度报文的响应时间，一般最小取所有从控制器最长响应时间的2?3倍。图2中上方时间轴为水上主控制器的调度时序，水上主控制器在各微调度时刻依次向水上从控制器i发送调度报文Ai，并在下一个微调度时刻到来之前完成对水上从控制器i反馈报文iA的接收，从而消除了水上工业交换机内的报文冲突；图2中下方时间轴为水下主控制器的调度时序，水下主控制器在各微调度时刻依次向水下从控制器j发送调度报文Bj，并在下一个微调度时刻到来之前完成对水下从控制器j反馈报文jB的接收，从而消除了水下工业交换机内的报文冲突。水下主控制器的调度由正确接收到水上主控制器发送来的集成指令报文AB条件触发，即水下主控制器只有正确接收到AB报文后，才开始对各水下从控制器进行调度通信，并在调度结束后把所有水下从控制器反馈的状态信息打包到BA报文中去，反馈给水上主控制器。
[0026]为充分利用时隙，提高通信频率，采用双主从控制器在保证交换机内不出现报文冲突的前提下，对水上网络和水下网络进行并发调度。
[0027]具体实施方法为:水上主控制器和水下主控制器均以Ta = Tb = Max (M, N) *T为宏调度周期进行调度，水上主控制器在第k个宏调度周期的最后一个微调度时刻(k+l)*TA向水下主控制器发送集成指令报文ABk，k为正整数，表示宏调度周期的序号，不等待水下主控制器的反馈报文即开始下一个宏调度周期的调度，并在接收到水下主控制器的反馈报文BAk后的下一个微调度时刻，立即向水下主控制器发送新一轮的集成指令报文AB(k+1)。该方案使水上主控制器充分利用水下网络的调度时间，来准备新的集成指令报文AB，形成水上、水下网络的并发调度，提高整个网络的实时性。
[0028]图2给出的是水上从控制器个数M小于水下从控制器个数N的情形，为实现水上、水下网络的宏调度周期一致，避免出现报文冲突的情况，水上网络的调度每个宏调度周期有N-M个空闲微调度时刻，而水下网络则处于满负荷状态。当水上从控制器个数M大于水下从控制器个数N时，水上网络处于满负荷状态，而水下网络有M-N个空闲微调度时刻。当M等于N时，该调度方案通信效率达到最高。
[0029]为保证报文的完整性，本实用新型在需要进行报文交换的各控制器之间建立逻辑连接，并采用带确认的数据通信机制。因此，水上主控制器能够检测与水上从控制器及水下主控制器之间的报文发送错误和报文接收错误；水下主控制器能够检测与水下从控制器及水上主控制器之间的报文发送错误和报文接收错误。此外，在水上主控制器和水下主控制器中进行响应超时检测。例如水上主控制器向水上从控制器i发送调度报文Ai后，水上从控制器i必须在时间T内正确回复水上主控制器iA报文，否则将产生响应超时错误，有可能引发报文冲突，造成调度失败。
[0030]水上主控制器为每个水上从控制器设计三个通信错误计数器，分别是报文发送错误计数器、报文接收错误计数器和报文响应超时错误计数器。
[0031]当水上主控制器向某水上从控制器成功发送一个报文时，该控制器的报文发送错误计数器减一，直至减为零后不再累减，定义为饱和减一；相反，当水上主控制器向该控制器发送报文产生错误时，该控制器的报文发送错误计数器加一，直至达到一个用户设定的发送错误容忍阈值后不再累加，定义为饱和加一。同理，当水上主控制器正确接收某水上从控制器的报文时，该控制器接收错误计数器饱和减一；反之，该控制器的接收错误计数器饱和加一。响应超时计数器也按照相同的机制进行处理。
[0032]水上主控制器同时检测与水下主控制器之间的报文发送错误、报文接收错误及报文接收超时错误。报文发送错误与报文接收错误的定义及检测方法与前述相同，不再赘述。报文接收超时错误是指水上主控制器连续L个宏调度周期未接收到水下主控制器的状态反馈集成报文BA，其中L是用户设置的容忍阈值，一般可取3?4。
[0033]水下主控制器为每个水下从控制器设计三个通信错误计数器，分别是报文发送错误计数器、报文接收错误计数器和报文响应超时错误计数器。错误计数器操作方法与水上主控制器相同。
[0034]为使水上主控制器实时掌握水下网络的通信状态，水下主控制器将水下从控制器的三个通信错误计数器打包到BA报文中反馈给水上主控制器。
[0035]水下主控制器同时检测与水上主控制器之间的报文发送错误、报文接收错误及报文接收超时错误。报文发送错误与报文接收错误的定义及检测方法与前述相同，不再赘述。报文接收超时错误是指水下主控制器连续L个宏调度周期未接收到水上主控制器的集成指令报文AB，其中L是用户设置的容忍阈值，一般可取3?4。
[0036]本实用新型提出的调度方案中，正常工况下水上主控制器能够获得所有水上从控制器和水下从控制器的通信错误计数器值，当有从控制器的发送/接收/响应超时错误计数器值达到用户设定的阈值时，水上主控制器触发声光报警，提醒用户检查通信网络或进入应急回收工况。水上主控制器同时检测与水下主控制器之间的报文发送、接收及报文接收超时错误，当检测到与水下主控制器之间报文发送/接收错误计数器值达到用户设定的阈值或产生BA报文接收超时错误时，水上主控制器断定与水下主控制器发生永久性通信故障，此时水上主控制器停止调度，触发声光报警以提醒用户进入应急回收工况。
[0037]本实用新型提出的调度方案中，正常工况下，水下主控制器将所有水下从控制器的通信错误计数器值打包入BA报文中反馈给水上主控制器。
[0038]当水下主控制器检测到与水上主控制器之间的报文发送/接收错误计数器值达到用户设定的阈值或产生AB报文接收超时错误时，水下主控制器断定与水上主控制器产生永久性通信故障，则水下主控制器停止调度，释放应急浮筒，将应急通信电缆(应急通信电缆采用零浮力电缆，正常时缠绕在应急浮筒上，一端与进排水控制器相连接，另一端用水密接头密封固定在应急浮筒上)带上水面，以便于操作人员把应急通信电缆的另一端通过水密接头连接到水上主控制器上，建立水上主控制器与进排水控制器的应急通信链路，对水下平台进行应急回收。之后水下主控制器退出工作状态。
[0039]水上从控制器和水下从控制器只需被动响应主控制器的调度报文即可。
[0040]水上主控制器主要包含两个过程:定时中断服务过程和主循环过程。其中，定时中断服务过程中，调度定时器的周期设置为微调度周期T，完成调度报文的发送及其发送错误检测，以及对上一微调度周期对应控制器的报文响应超时错误检测。主循环过程是一个无限循环，用于实时接收各控制器的反馈报文并进行报文接收错误检测，同时检查所有控制器的通信错误计数器值，若有控制器的通信错误计数器值超过用户设定的容忍阈值，则提示用户进行通信网络检查或水下平台的应急回收。
[0041]水下主控制器同样包括两个过程:定时中断服务过程和主循环过程。，其中，定时中断服务过程中，调度定时器定时周期为微调度周期T，由接收到来自水上主控制器的集成指令报文AB使能定时中断，进行调度报文的发送及相应的报文发送错误检测，以及对上一微调度周期对应控制器的报文响应超时错误检测。定时器中断服务处理过程与水上主控制器相同，调度时序如图2中下方时间轴所示，这里不再赘述。主循环过程也是一无限循环，实时接收处理水上主控制器发送来指令报文AB及水下从控制器的所有馈报文，检测报文接收错误，将水下从控制器的通信错误计数器值写入BA报文并反馈给水上主控制器。主循环还检测水下主控制器与水上主控制器之间的通信状态，当诊断出永久通信故障时，水下主控制器释放应急浮筒，并退出工作状态，平台进入应急回收状态。
[0042]以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。
【权利要求】
1.一种适用于遥控水下作业系统的通信装置，其特征在于，它包括水上子网络装置和水下子网络装置二部分，其中， 所述水上子网络装置由水上主控制器，多个水上从控制器，以及水上工业交换机，水上波分复用收发器构成，水上主控制器通过工业以太网与各水上从控制器电信号连接，并依次通过水上工业交换机和水上波分复用收发器与水下子网络装置电信号连接； 水下子网络装置由水下主控制器，多个水下从控制器，以及水下工业交换机，水下波分复用收发器构成；水下主控制器通过工业以太网与各水下从控制器电信号连接，并依次通过水下工业交换机和水下波分复用收发器与水上子网络装置电信号连接。
【文档编号】H04L12/26GK204031218SQ201420441594
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】秦元庆, 徐国华, 张琦, 周纯杰, 夏英凯, 赵寅 申请人:华中科技大学