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CN115086246A - 一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法 - Google Patents

一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法 Download PDF

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CN115086246A
CN115086246A CN202110265969.1A CN202110265969A CN115086246A CN 115086246 A CN115086246 A CN 115086246A CN 202110265969 A CN202110265969 A CN 202110265969A CN 115086246 A CN115086246 A CN 115086246A
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CN
China
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remote terminal
control signal
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monitoring
signal data
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冮明旭
刘明哲
闫炳均
王志平
胡波
张博
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Shenyang Institute of Automation of CAS
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Shenyang Institute of Automation of CAS
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Abstract

本发明涉及一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法。船舶能量管理系统中的监控服务器结合现场控制需求，建立网络调度表；网络内的所有节点根据网络调度表配置的时间片顺序，在相应的时间片内传输对应的监测采集数据和控制信号数据。本发明解决了船舶能量管理系统中不同类型数据共享和传输问题，通过建立调度表，调度和优化网络内各个节点的通信时间，实现船舶能量管理系统内不同节点的监测采集数据和控制信号数据的分时传输，本发明在满足监测采集数据传输实时性的同时，提高控制信号数据传输的可靠性，具有很大的应用推广空间。

Description

一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法
技术领域
本发明涉及船舶能量管理系统中数据调度传输方法，属于网络通信领域。
背景技术
船舶能量管理系统是在全电力船舶出现后，根据综合电力系统的实际需要而逐渐产生的一种对船舶电能进行统一调度、管理和控制的新型系统。船舶能量管理系统主要基于计算机监控网络，对船舶的动力系统、电力系统和其他用电设备的运行状况进行实时监测并加以控制保护，实现对全船能量流的智能化控制，保证船舶运行过程中能量供应的稳定性和经济性，从而提高船舶的整体性能。
船舶能量管理系统内主要传输的是综合电力系统中电力设备各项运行参数的实时监测数据以及对各个电力设备的控制信号数据，由于船舶电力系统信息网络内的节点设备数量来越大、结构越来越复杂，船舶能量管理系统网络内的实时监测数据量越来越大，对控制信号的传输稳定性也越来越高，如何在确保监测数据传输实时性的基础上，确保控制信号的可靠传输成为船舶能量管理系统发展过程中亟待解决的关键问题。
现有的基于现场总线以及CAN总线的网络架构方案其传输速度较低、传输距离较短，已经无法应对船舶能量管理系统网络中日益庞大的实时监测数据对网络传输速度和距离的需求。并且上述方法具有一定的不可预测性，无法确保控制信号的可靠传输，因此在保证船舶能量管理系统网络内监测采集数据实时性的前提下，提高控制信号数据传输的服务质量，对船舶能量管理系统网络发展具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种面向船舶能量管理系统基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，主要用于船舶能量管理系统中监控服务器与远程终端单元之间的实时通信。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，利用时分多路的方法将网络节点的监测采集数据和控制信号数据分离传输，包括以下步骤：
作为节点的监控服务器和远程终端单元按照调度表配置，在分配得到的时间段内进行监测采集数据和控制信号数据的传输通讯。
被配置到监控服务器和远程终端单元的调度表包括：调度宏周期长度、调度表配置时间段长度、监测采集数据时间段长度、监测采集数据时间片长度、各个远程终端单元监测采集数据发送顺序、各个远程终端单元占有监测采集数据时间片个数、控制信号数据时间段长度、空闲时间段长度以及各个远程终端单元与之通讯的远程终端单元。
所述远程终端单元按照调度表配置进行数据发送，调度表为该远程终端单元分配的调度周期划分为调度表配置时间段长度、监测采集数据时间段、控制信号数据时间段和空闲时间段四个时间段：
所述调度表配置时间段：由监控服务器以广播的形式在网络内向各个远程终端单元发送调度表配置信息报文，以及向各个远程终端单元发送时钟同步报文，监控服务器和远程终端单元按照调度表配置信息报文中的配置信息配置下一个调度周期的调度表，并且在该时段监控服务器与其他远程终端单元进行时钟同步；
所述监测采集数据时间段：由远程终端单元依据调度表配置的监测采集数据时间片位置和个数，传输采集到的用于表示电力设备各项参数的监测采集数据报文；
所述控制信号数据时间段：由远程终端单元与其他远程终端单元或监控服务器之间发送或接收的控制信号数据报文；
所述空闲时间段：远程终端单元断开与监测服务器或者其他远程终端单元之间仍然存在的控制信号报文传输连接，准备下一个调度周期。
节点之间进行监测采集数据的交互包括以下步骤：
当远程终端单元处于监测采集数据传输时间段时，将采集的监测采集数据报文组播传输到网络中；
当远程终端单元处于非监测采集数据传输时间段，将采集的监测数据存入该远程终端单元内部监测采集数据传输队列，等待下一个监测采集数据传输时间段进行传输发送；
监控服务器接收整个网络内所有远程终端单元传输的监测采集数据报文，远程终端单元丢弃非调度表内的远程终端单元传输的监测采集数据报文。
节点之间进行控制信号数据交互包括以下步骤：
当监控服务器或者远程终端单元处于控制信号数据传输时间段，监控服务器或者远程终端单元与控制信号数据接收方建立连接，连接建立成功后，将控制信号数据报文传输至控制信号数据接收方；
当处于非控制信号数据传输时间段，将控制信号数据存入控制信号数据传输队列，等待下一个控制信号数据传输时间段进行控制信号数据传输。
控制信号数据发送方与接收方连接建立过程如下：
控制信号数据发送方发送连接请求，如果接收方此时可以进行控制信号数据报文传输，则回复确认连接请求报文至请求建立方并准备接收控制信号数据报文，连接请求方接收到确认连接请求报文后，开始传输控制信号数据报文。
所述监控服务器以自身时钟为主时钟与所有远程终端单元进行时钟同步，使网络内所有节点处于同一时钟基准。
一种远程终端单元，用于接收监测电力设备各项参数的监测采集数据；在任意时刻可以与监控服务器以及网络内其他远程终端单元(RTU)按照调度表配置通过以太网进行通信。
一种作为远程终端单元的节点，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，执行以下步骤：
作为节点的远程终端单元按照调度表配置，在分配得到的时间段内进行监测采集数据和控制信号数据的传输通讯。
一种作为监控服务器的节点，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，执行以下步骤：
作为节点的监控服务器按照调度表配置，在分配得到的时间段内进行监测采集数据和控制信号数据的传输通讯。
本发明具有如下有益效果及优点：
1.确定监测采集数据传输至上层应用的最大时间延迟，保证监测采集数据的实时性。本发明通过建立网络调度表，控制网络内所有节点按调度发送监测采集数据，确保在任意监测采集数据传输时刻，网络内只有一个节点传输监测采集数据，消除了因多节点同时发送数据导致网络内某一时刻发送拥堵而产生的不确定网络传输延迟；
2.提高了整体系统传输控制信号数据的服务质量。本发明通过建立网络调度表，将监测采集数据传输与控制信号数据传输完全分隔开，避免了监测采集数据与控制信号同时传输时，控制信号数据湮没在数据量巨大的监测采集数据中；通过建立连接的方式传输控制信号数据，降低了控制信号的丢包率，从而提高整体系统传输控制信号的服务质量。
3.可扩展性强。当需要对船舶能量管理系统进行扩展时，在原有网络结构的基础上，通过添加远程终端单元(RTU)以及修改网络调度配置表即可整体系统扩展，不需要改变整体系统平台架构，通用性能高，可扩展性强。
4.可靠性高、可实施性强。本发明基于成熟的以太网总线控制方法，相较其他总线控制技术其可靠性高，系统实现的复杂度低，系统构建的成本少，可实施性和经济性亦更为优秀。
附图说明
图1是本发明的网络整体结构图；
图2是本发明实例网络调度表的具体配置示意图；
图3a是本发明实例中系统数据时段网络内数据传输示意图；
图3b是本发明实例中远程终端单元RTU1传输监测采集数据示意图；
图3c是本发明实例中远程终端单元RTU2传输监测采集数据示意图；
图3d是本发明实例中远程终端单元RTU3传输监测采集数据示意图；
图3e是本发明实例中控制信号数据时段网络内数据传输示意图；
图4是本发明中控制信号数据传输具体示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步的详细说明。
本发明专利提出了一种面向船舶能量管理系统应用的基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法；船舶能量管理系统网络内监控服务器和远程终端单元(RTU)通过调度表方式，实现监测采集数据和控制信号数据的分时传输，在确保监测采集数据实时性的同时，提高了对控制信号数据的服务质量。
本发明解决了船舶能量管理系统中不同类型数据共享和传输问题，通过建立调度表，调度和优化网络内各个节点的通信时间，实现船舶能量管理系统内不同节点的监测采集数据和控制信号数据的分时传输，本发明在满足监测采集数据传输实时性的同时，提高控制信号数据传输的可靠性，具有很大的应用推广空间。
本发明专利方法通过将时间分隔成离散的时间片，监控服务器和远程终端单元(RTU)占用不同的时间片分别发送监测采集数据和控制信号数据，从而将监测采集数据和控制信号数据的传输分隔开，解决了同时传输监测采集数据和控制信号数据时，网络内某一时刻发生拥堵而造成的不确定网络传输延迟的问题，也避免控制信号湮没在数据量巨大的监测采集数据中。该方法在不改变船舶能量管理系统整体结构的前提下，提高了监测采集数据的实时性和控制信号数据传输的稳定性，具有广泛的应用前景。
一种作为远程终端单元(RTU)的节点，该节点可以接收监测电力设备各项参数的传感器采集的监测数据；在任意时刻可以与监控服务器以及其他远程终端单元(RTU)按照调度表配置通过以太网进行通信；节点内可执行调度发送程序，该程序可实现上述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法。
一种作为监控服务器的节点，存储有用于作为监控服务器的调度发送程序，所述程序在实现上述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法的同时，可以将接收的监测采集数据传输至船舶能量管理系统上层控制应用，并将船舶能量管理系统上层控制应用产生的控制信号传输到网络内远程终端单元(RTU)。
一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，用于船舶能量管理系统内监测采集数据和控制信号数据的传输，包括以下部分：
监控服务器与所有远程终端单元(RTU)通过以太网交换机连接组成船舶能量管理系统网络。
监控服务器：监控服务器根据系统实际需求设置网络调度表，并按照调度表配置，每隔一段时间在调度表配置时间段将调度表传输至网络内所有远程终端单元(RTU)；监控服务器以自身时钟为主时钟与网络内所有远程终端单元(RTU)进行时钟同步；监控服务器可实时接收存储网络内所有远程终端单元(RTU)传输的监测采集数据，并将船舶能量管理系统产生的控制信号安全可靠的传输至网络内所有远程终端单元(RTU)。
远程终端单元(RTU)：远程终端单元(RTU)接收监测电力设备各项参数的传感器采集的监测数据，网络内所有远程终端单元(RTU)均按照基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法进行监测采集数据和控制信号数据的分时传输。
结合实际工程需求，建立网络调度表，调度表内容包括：调度宏周期长度、调度表配置时间段长度、监测采集数据时间段长度、监测采集数据时间片长度、各个远程终端单元(RTU)监测采集数据发送顺序、各个远程终端单元(RTU)占有监测采集数据时间片个数、控制信号数据时间段长度、空闲时间段长度以及各个远程终端单元(RTU)可以与之通讯的远程终端单元(RTU)。确保网络内的监控服务器和所有远程终端单元(RTU)可以按照网络调度表进行配置。
按照网络调度表配置，网络内所有节点在每个调度周期内共划分为调度表配置时间段、监测采集数据时间段、控制信号数据时间段和空闲时间段四个时间段：
所述系统数据发送时间段由监控服务器以广播的形式在网段内发送配置管理报文；监测采集数据时间段发送远程终端单元(RTU)接收到的电力设备各项参数的监测数据，如压力信号、振动信号等；所述控制信号数据时间段发送船舶能量管理系统内的各类控制信号数据，例如发电机控制信号、负荷调整信号，空闲时段主要负责为下一个调度周期做准备。
所述监控服务器与远程终端单元(RTU)之间、远程终端单元(RTU)与远程终端单元(RTU)之间监测采集数据交互，当远程终端单元(RTU)处于调度表配置的监测采集数据时间片时，远程终端单元(RTU)立即将监测采集数据以监测采集数据报文的形式传输至网络，处于非调度表配置的监测采集数据时间片时，将采集的监测数据存入内部监测采集数据传输队列，等待调度表配置的下一个监测采集数据时间片进行数据传输；监控服务器接收整个网络内所有远程终端单元(RTU)传输的监测采集数据报文，远程终端单元(RTU)依据调度表配置接收可进行通讯的远程终端单元(RTU)传输的监测采集数据报文，丢弃非调度表内的远程终端单元(RTU)传输的监测采集数据报文。
监控服务器与远程终端单元(RTU)之间、远程终端单元(RTU)与远程终端单元(RTU)之间控制信号数据交互，当监控服务器或者远程终端单元(RTU)处于调度表配置的控制信号数据传输时间段时，监控服务器或者远程终端单元(RTU)与控制信号接收方建立连接并将控制信号数据以控制信号数据报文的形式进行传输，处于非调度表配置的控制信号数据传输时间段时，将控制信号数据报文存入控制信号数据传输队列，等待下一个控制信号数据传输时间段进行控制信号数据传输。
以图1为实例介绍本专利方法在实际应用中的具体实现过程；首先远程终端控制单元(RTU)通过各类工业总线形式与监测电力设备各项参数的传感器通讯，接收传感器采集的各种监测数据，然后监控服务器以交换式以太网形式，通过交换机与所有远程终端控制单元(RTU)相连接组成船舶能量管理系统网络。
图2是本发明专利实例中网络调度表的具体配置图，该实例中一个网络调度周期长度是25ms，调度表配置时间段长度是5ms，监测采集数据时间段长度是10ms，共划分为10个监测采集数据时间片，每个监测采集数据时间片长度是1ms，其中远程终端单元RTU1分配得到1-3号监测采集数据时间片，远程终端单元RTU2分配得到4-7号监测采集数据时间片，远程终端单元RTU3分配得到8-10号监测采集数据时间片，控制信号数据时间段长度为8ms，空闲时间段长度为2ms。
图3a～图3e是本发明专利实例中各个传输时段网络内通讯状况示意图；如图3a所示，当处于调度表配置时间段时，监控服务器将配置好的网络调度表传输给网络内所有远程终端控制单元(RTU)，以及发送时钟同步报文与网络内所有远程终端单元(RTU)进行时钟同步。
图3b是远程终端单元RTU1传输监测采集数据示意图，根据网络调度表配置，远程终端单元RTU1分配得到1-3号监测采集数据时间片，因此在TD1时间段内，网络内只有远程终端单元RTU1传输接收到的监测电力设备各项参数的监测采集数据，由于远程终端单元RTU1采用无连接的组播方式传输监测采集数据报文，网络内监控服务器和所有远程终端单元均可接收到报文，监控服务器可接收处理网络内所有远程终端单元(RTU)发送的监测采集数据报文，远程终端单元则根据调度表配置有选择的处理接收到监测采集数据报文，在本实例中网络调度表配置所有远程终端单元(RTU)不处理接收到的其他远程终端单元(RTU)发送的监测采集数据报文；图3c是远程终端单元RTU2传输监测采集数据示意图，在TD2时间段内，网络内只有远程终端单元RTU2传输监测采集数据报文；图3d是远程终端单元RTU3传输监测采集数据示意图，在TD3时间段内，网络内只有远程终端单元RTU3传输监测采集数据报文。
本发明实例中控制信号数据传输情况如图3e，在控制信号数据时间段时，网络内的监控服务器和远程终端单元(RTU)均可传输控制信号数据，根据控制信号数据的接收方，网络内的节点与控制信号接收方建立连接，连接建立成功后，控制信号的发送节点与控制信号接收采用发送-应答的方式以控制信号数据报文的形式传输控制信号数据，确保控制信号可以稳定可靠的传输至信号接收方。
图4是本发明中控制信号数据传输具体示意图，首先控制信号数据发送节点向控制信号接收方发送连接请求REQ报文，接收方接收到连接请求后，如果连接请求方是调度表上配置节点且接收方目前处于可以发送的状态。则回复应答回复ACK报文至请求建立方并准备接收控制信号数据报文，连接请求方接收应答回复ACK报文后，开始传输控制信号数据报文；接收方接收到控制信号数据报文后，向发送方回复接收回复报文，且接收回复报文中的序列号与控制信号数据发送报文中的序列号相同，发送方可以根据接收到的回复报文中序列号，判断控制信号数据是否成功发送到接收方。如果控制信号接收方是多个，则建立多条连接进行控制信号传输。

Claims (10)

1.一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，利用时分多路的方法将网络节点的监测采集数据和控制信号数据分离传输，包括以下步骤：
作为节点的监控服务器和远程终端单元(RTU)按照调度表配置，在分配得到的时间段内进行监测采集数据和控制信号数据的传输通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，被配置到监控服务器和远程终端单元(RTU)的调度表包括：调度宏周期长度、调度表配置时间段长度、监测采集数据时间段长度、监测采集数据时间片长度、各个远程终端单元监测采集数据发送顺序、各个远程终端单元占有监测采集数据时间片个数、控制信号数据时间段长度、空闲时间段长度以及各个远程终端单元与之通讯的远程终端单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，所述远程终端单元(RTU)按照调度表配置进行数据发送，调度表为该远程终端单元分配的调度周期划分为调度表配置时间段长度、监测采集数据时间段、控制信号数据时间段和空闲时间段四个时间段：
所述调度表配置时间段：由监控服务器以广播的形式在网络内向各个远程终端单元发送调度表配置信息报文，以及向各个远程终端单元发送时钟同步报文，监控服务器和远程终端单元(RTU)按照调度表配置信息报文中的配置信息配置下一个调度周期的调度表，并且在该时段监控服务器与其他远程终端单元进行时钟同步；
所述监测采集数据时间段：由远程终端单元依据调度表配置的监测采集数据时间片位置和个数，传输采集到的用于表示电力设备各项参数的监测采集数据报文；
所述控制信号数据时间段：由远程终端单元与其他远程终端单元或监控服务器之间发送或接收的控制信号数据报文；
所述空闲时间段：远程终端单元断开与监测服务器或者其他远程终端单元之间仍然存在的控制信号报文传输连接，准备下一个调度周期。
4.根据权利要求1所述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，节点之间进行监测采集数据的交互包括以下步骤：
当远程终端单元(RTU)处于监测采集数据传输时间段时，将采集的监测采集数据报文组播传输到网络中；
当远程终端单元(RTU)处于非监测采集数据传输时间段，将采集的监测数据存入该远程终端单元(RTU)内部监测采集数据传输队列，等待下一个监测采集数据传输时间段进行传输发送；
监控服务器接收整个网络内所有远程终端单元(RTU)传输的监测采集数据报文，远程终端单元(RTU)丢弃非调度表内的远程终端单元(RTU)传输的监测采集数据报文。
5.根据权利要求1所述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，节点之间进行控制信号数据交互包括以下步骤：
当监控服务器或者远程终端单元(RTU)处于控制信号数据传输时间段，监控服务器或者远程终端单元(RTU)与控制信号数据接收方建立连接，连接建立成功后，将控制信号数据报文传输至控制信号数据接收方；
当处于非控制信号数据传输时间段，将控制信号数据存入控制信号数据传输队列，等待下一个控制信号数据传输时间段进行控制信号数据传输。
6.根据权利要求5所述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，控制信号数据发送方与接收方连接建立过程如下：
控制信号数据发送方发送连接请求，如果接收方此时可以进行控制信号数据报文传输，则回复确认连接请求报文至请求建立方并准备接收控制信号数据报文，连接请求方接收到确认连接请求报文后，开始传输控制信号数据报文。
7.根据权利要求1所述的一种基于时隙的时分多路以太网数据调度传输方法，其特征在于，所述监控服务器以自身时钟为主时钟与所有远程终端单元进行时钟同步，使网络内所有节点处于同一时钟基准。
8.一种远程终端单元，其特征在于，用于接收监测电力设备各项参数的监测采集数据；在任意时刻可以与监控服务器以及网络内其他远程终端单元(RTU)按照调度表配置通过以太网进行通信。
9.一种作为远程终端单元的节点，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，执行以下步骤：
作为节点的远程终端单元按照调度表配置，在分配得到的时间段内进行监测采集数据和控制信号数据的传输通讯。
10.一种作为监控服务器的节点，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，执行以下步骤：
作为节点的监控服务器按照调度表配置，在分配得到的时间段内进行监测采集数据和控制信号数据的传输通讯。
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