一种微秒级的远程工业指令下发机制的制作方法

本发明涉及工业指令控制，具体为一种微秒级的远程工业指令下发机制。

背景技术：

1、现有工业基础标准无法同时满足工业自动化控制设备功能响应，数据通讯的带宽、确定性、可靠性和互操作性等方面的要求，特别是中大型工业控制场景，如航空，汽车制造，石油和化工等。过去几年间，各大工业厂商的主要解决方案是通过模块化的方式集成电源、cpu、各种通信接口及协议，模块化io满足工业厂商的要求，这种模块化，可插拔，可替换的应用方案仅是在传统自动化设备基础上改变了产品形态，对于已经存在以及面向为未来的复杂控制，时间敏感，高安全性和智能生产等场景无法支持。未来工业自动化产品呈现较强的融合型，在一个产品中除了包含分布式自动化控制核心功能，也包含人机交互，组态编辑和集群协作，以及以人工智能为核心的智能生产，智能运维等。基于此目标目前主要的技术缺陷在于以下几点：

2、可编程性。工业自动化控制的组态编辑、配置和数据采集等功能均在上位机完成后下发至下位机。这种方式可满足梯形图或状态机驱动方式的需求，但对于远程io和分布式控制等大量异步，基于以太网需要大量集群协调的场景编程性已无法满足。

3、时间敏感。工业控制网络在数据通信的带宽、确定性、可靠性等方面提出了现有基础标准以太网无法同时满足的要求，大型工业控制的相应时间达到微秒级如航空，汽车行业的大型机械臂设备，根据现在工业通讯对于延迟和并发的要求，至少要达到交换延迟小于300μs，支持16k个虚拟通道，目前的工业以太网无法满足要求。

4、所以，人们需要一种微秒级的远程工业指令下发机制来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种微秒级的远程工业指令下发机制，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种微秒级的远程工业指令下发机制，包括以下步骤：

3、z1：上位机生成控制指令，控制指令通过远程下发机制对报文进行处理；

4、z2：通过门控时间序列的重复执行，对处理后的报文进行循环控制和调度传输；

5、z3：根据调度传输后的报文，分析关于数据帧的转发延时并发送到控制单元进行调整。

6、进一步的，在步骤z1中：上位机生成控制指令，控制指令通过远程下发机制对报文进行处理后下发到下位机或其他单元，网络接口输入的报文有三种，分别为tsmp(时间网格网络协议)报文、tsn(时间敏感型网络)报文和标准以太网报文；帧过滤模块接收到来自网络接口输入的报文，为报文中每拍数据增加1bit的头尾标识来区分报文的类型，在标准以太网中同时传输rc报文、st报文和be报文，对st(普通传输流量)报文和rc(速度受限流量)报文进行过滤：若st报文接收使能为高，接收并处理st报文，否则丢弃st报文；若rc报文接收使能为高，接收并处理rc报文，否则丢弃rc报文。

7、进一步的，把经过帧过滤模块处理后的报文传输到描述符提取模块，首先描述符提取模块识别报文是标准以太网报文还是tsn报文，当报文计入缓存区时会生成一个id为pkt_bufid，设置rc报文监管阈值和be报文监管阈值，根据剩余pkt_bufid数量与报文监管阈值的大小关系来对报文进行监管：若剩余pkt_bufid数量小于rc报文监管阈值，则丢弃rc报文和高/低优先级be(普通无保障的传输流量)报文；若剩余pkt_bufid数量小于高优先级be报文监管阈值，则丢弃高/低优先级be报文；若剩余pkt_bufid数量小于低优先级be报文监管阈值，则丢弃低优先级be报文；pkt_bufid是每个报文计入到缓存区生成的id，是每个报文的唯一标识；

8、其次对报文进行特征信息提取，把报文集中缓存模块分配的pkt_bufid和提取得报文特征信息进行组合得到报文描述符再传输到转发查表模块，同时将每拍9bit数据转换成每拍134bit数据，将转换后的数据与pkt_bufid一起传输给输入缓存接口模块。

9、进一步的，对传输到输入缓存接口模块的数据用两个134bit的ping-pong寄存器来循环存储，若某个寄存器中存储了数据，将pkt_bufid这个id标识的报文数据输出到报文集中缓存模块，报文集中缓存模块返回响应信号，至此完成一拍数据的写入；当报文的最后一拍数据写入到报文集中缓存模块时，等待下一个报文的到来。

10、进一步的，把经过输入缓存接口模块处理的数据传输到转发查表模块，转发查表模块对每个接口传来的描述符进行延时处理，避免描述符过快传输到网络发送模块或因在控制发送模块中报文还未写入到报文集中缓存区中而导致网络发送模块或控制发送模块从报文集中缓存区中读空问题，基于时分复用技术接收每个接口传来的描述符并进行串行传输，识别报文描述符的类型，若输出tsmp报文目的mac，则查tsmp转发表并接收查表结果；若输出标准以太网报文目的mac，则查找动态mac转发表；若输出tsn报文的flowid，则查找flowid转发表；根据查表结果将报文描述符输出给对应输出接口。

11、进一步的，把经过转发查表模块处理后的报文描述符输出到对应的网络入队控制模块，根据队列门控模块传来的门控状态与报文描述符中报文类型进行队列的选择，队列通过随机数生成具有全局唯一性的id为queue_id，并将选择的queue_id与pkt_bufid一起发送给网络队列管理模块进行缓存，网络队列管理模块维护每个队列的尾地址，根据描述符入队和出队情况来维护每个队列中缓存描述符的个数，利用管理模块对缓存描述符的个数进行计数，每接收到一个pkt_bufid，便更新对应队列的尾地址。

12、进一步的，把经过网络入队控制模块处理的报文传输到网络输出调度模块，网络输出调度模块根据队列门控模块状态以及每个队列状态是否为空得到最优先调度队列，将最优先调度队列中的首地址发送到网络队列管理模块，读取对应的队列中的pkt_bufid并用其更新该队列的首地址，将该队列的首地址发送给网络发送模块。

13、进一步的，把经过网络输出调度模块处理的报文传输到网络发送模块，网络发送模块将pkt_bufid转换成基地址，用两个134bit的ping-pong寄存器来缓存读出的数据，将每拍134bit的数据转换成每拍9bit的数据后输出，当一个寄存器中数据输出后再往报文集中缓存模块进行下一拍134bit数据的读取，直到报文全部读取完成，在输出报文时，需要控制报文与报文之间的输出间隔。

14、进一步的，在步骤z2中：输出端口有n个队列用于存放不同优先级的流量，优先级队列集合为q＝{q0,q1,...,qn-1}，根据工业设备和工业总线的协议预先设置规划调度表，门控的状态由调度表进行配置，控制端下发的门控事件主要包括时间戳和门控状态，当相应的门处于打开状态，其所对应的队列中报文会被调度传输，对每个队列中的数据进行循环发送，通过将门控事件序列重复执行实现对周期性时间敏感流量进行循环控制；

15、基于时间门控的调度机制传输处于打开状态队列中的报文需要遵循三点原则：该队列中含有可以发送的报文；处于更高优先级的队列中没有需要传输的报文，否则会优先传输更高优先级队列中的报文；该队列中的报文传输需要在门控关闭前完成；在高优先级报文传输开始前，被调度的低优先级报文需要确保完成传输。因此引入了保护带的概念，保护带用于保证一个门控打开后，高优先级流量可以立即发送，即始终有空闲的资源。保护带的设计思想是避免在一个队列的门控关闭后，该队列中仍然有报文继续传输。

16、进一步的，在步骤z3中：cqf(循环排队和转发)将全网时间划分为长度为d的连续时间槽，时间槽的集合d＝{d1,d2,...,dm}，时间的集合为t＝{t1,t2,...,tm}，数据帧p通过交换机进行传输，交换机在时间槽d中的t时刻接收到数据帧p,t1和t2可在时间槽i和i+1中任意分布，帧p经过交换机s0传输给交换机s1，若s0在时间槽i的开始时刻将帧p传输到s1，s1在时间槽i+1的结束时刻将帧p传输出去，帧p在这两个交换机之间的最大延迟是2d；若s0在i的结束时刻将帧p传输到s1，s1在i+1的开始时刻即i的结束时刻将帧p传输出去，那么帧p在这两个交换机之间的最小延迟为0；所以数据帧在网络中交换的最大延时为(h+1)*d，最小延时为(h-1)*d，其中h为传输路径跳数即路由路径上的交换机的数目。

17、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

18、本发明采用tsn通用算法兼容现有工业以太网，有效地降低了节点设计复杂度和成本，使以太网的性能更具备确定性、鲁棒性、可靠性，上位机生成控制指令，控制指令通过远程工业指令下对报文进行处理，最后从网络发送模块输出，通过将门控事件序列重复执行实现对周期性时间敏感流量进行循环控制，循环冗余转发通过流量整形为关键数据流提供确定且易于计算的延时服务，采用高实时性的调度算法，调度时延小于1000ns。