[發(fā)明專利]一種遙控水下作業(yè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)及其調(diào)度方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410384522.6
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104168313B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦元慶;徐國華;張琦;周純杰;夏英凱;趙寅
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L12/24;H04L12/26;G05B19/418
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通信技術(shù)，特別涉及遙控水下作業(yè)系統(tǒng)及其通信調(diào)度方法。

背景技術(shù)

水下作業(yè)技術(shù)是非常廣泛的領(lǐng)域，涉及國防軍事、水利設(shè)施建設(shè)、抗洪搶險、海洋資源開發(fā)利用等。相比于陸地，水下作業(yè)環(huán)境更加惡劣，作業(yè)系統(tǒng)失效后救援回收困難，易造成重大人員或財產(chǎn)損失。因此水下智能作業(yè)系統(tǒng)是典型的安全關(guān)鍵系統(tǒng)，需要在設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急功能。隨著水下作業(yè)任務(wù)要求的不斷提高，水下作業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜度也越來越高。傳統(tǒng)的集中式控制結(jié)構(gòu)存在主控制器負荷大、功能擴展難、容錯能力差、故障率高等缺點；而基于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的分布式控制結(jié)構(gòu)則可以通過把控制功能下放到各本地控制器降低控制風(fēng)險，提高系統(tǒng)的可擴展性和容錯能力。

傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)一般采用專用網(wǎng)絡(luò)，如各種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，多為短報文數(shù)據(jù)交換，強調(diào)通信延時的確定性和傳輸可靠性。由于以太網(wǎng)技術(shù)具有成本低、速度高、通用性等特點，目前已經(jīng)逐步應(yīng)用到一些實時控制領(lǐng)域，以取代原有的專用網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)的實時性要求，工業(yè)以太網(wǎng)多采用基于時間片的分時調(diào)度方法，如Powerlink，Profinet I/0,EPA等，或者采用集總幀的方法，如EtherCAT。這些方法都需要專用的設(shè)備或協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)精確的時間同步，在一定程度上提高了系統(tǒng)的成本。而對于非實時數(shù)據(jù)，工業(yè)以太網(wǎng)仍采用傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的遙控水下作業(yè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，目的在于將該系統(tǒng)的控制功能下放到各控制器，以提高系統(tǒng)的可擴展性和容錯能力；本發(fā)明還設(shè)計了該通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法，能夠滿足系統(tǒng)控制器之間通信的軟實時性和可靠性要求。

本發(fā)明提供的一種用于遙控水下作業(yè)的通信系統(tǒng)，其特征在于，它包括水上子網(wǎng)絡(luò)和水下子網(wǎng)絡(luò)二部分，其中，

所述水上子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器，M個水上從控制器，以及水上工業(yè)交換機，水上波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成，水下子網(wǎng)絡(luò)由水下主控制器，N個水下從控制器，以及水下工業(yè)交換機，水下波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成；

水上、水下子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器和水下主控制器通過光纖進行遠距離數(shù)據(jù)交換；

水上主控制器負責(zé)收集M個水上從控制器對水下作業(yè)平臺的控制指令，并將這些指令打包成一個集成指令報文通過工業(yè)交換機和波分復(fù)用收發(fā)器發(fā)送給水下主控制器；水上主控制器還用于檢測與水上從控制器及水下主控制器之間的通信錯誤；

水下主控制器受控于水上主控制器，用于接收到集成指令報文后，將集成指令報文分解轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的N個水下從控制器，接收各水下從控制器反饋的狀態(tài)信息，并將其打包成一個水下網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息報文反饋給水上主控制器；水下主控制器還用于檢測與水下從控制器及水上主控制器之間的通信錯誤；各水上從控制器和水下從控制器均用于被動響應(yīng)主控制器的調(diào)度報文；

水上、水下工業(yè)交換機用于連接水上控制器和水下控制器，并采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制以消除各端口的報文發(fā)送沖突；

水上、水下波分復(fù)用收發(fā)器用于實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換和遠距離傳輸。

本發(fā)明提供的一種用于上述通信系統(tǒng)的調(diào)度方法，其特征在于，包括水上主控制器調(diào)度和水下主控制器調(diào)度二部分；

所述水上主控制器調(diào)度包含水上定時中斷服務(wù)過程和水上主循環(huán)過程；水上定時中斷服務(wù)過程用于完成調(diào)度報文的發(fā)送及其發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)水上從控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測；所述水上主循環(huán)過程用于實時接收各水上從控制器的反饋報文并進行報文接收錯誤檢測，同時檢查所有水上從控制器的通信錯誤計數(shù)器值，若有水上從控制器的通信錯誤計數(shù)器值超過用戶設(shè)定的容忍閾值，則提示用戶進行系統(tǒng)檢查或水下平臺的應(yīng)急回收；

所述水下主控制器同樣包括水下定時中斷服務(wù)過程和水下主循環(huán)過程，其中，水下定時中斷服務(wù)過程由接收到來自水上主控制器的集成指令報文AB的事件使能，進行調(diào)度報文的發(fā)送、調(diào)度報文發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測；調(diào)度結(jié)束后，水下主控制器禁止定時器中斷；

水下主循環(huán)過程用于實時接收處理水上主控制器發(fā)送來的指令報文AB及水下從控制器的所有饋報文，檢測報文接收錯誤，將水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值寫入狀態(tài)反饋集成報文BA并發(fā)送給水上主控制器；水下主循環(huán)過程還用于檢測水下主控制器與水上主控制器之間的通信狀態(tài)，當(dāng)診斷出永久通信故障時，水下主控制器釋放應(yīng)急浮筒，進入應(yīng)急回收狀態(tài)。

本發(fā)明針對大型遙控水下作業(yè)系統(tǒng)的實時性及可靠性要求，提出一種通信系統(tǒng)及其調(diào)度方法，具有如下優(yōu)點：