控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實時性問題的分析

1 引言

　　在控制系統(tǒng)中，重要的核心問題之一是實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備、服務(wù)器、客戶端之間數(shù)據(jù)的動態(tài)交互，達(dá)到遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時交互的目的。此外，還要求系統(tǒng)只傳送與用戶需求有關(guān)的數(shù)據(jù)更新，且傳輸延遲應(yīng)當(dāng)被控制在確定的時間內(nèi)，即有實時性要求，任何控制系統(tǒng)離開實時性將變得毫無意義，實時性問題在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域具有十分重要的地位，本文將主要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)交換及實時性作深入研討。

2 實時性的概念

　　2.1 實時性一般定義

　　實時是指信號的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過程工況及現(xiàn)場情況變化及時進(jìn)行處理。而實時系統(tǒng)指在事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)給予響應(yīng)，以足夠快的速度處理，及時地將處理結(jié)果送往目的地的一種處理系統(tǒng)。實時與快速并非是相同的含義，不論網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度如何，只要在規(guī)定的響應(yīng)時間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)動作，則稱系統(tǒng)具有實時性。而實時網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是確定的，即是可以預(yù)測的，也就是說，實時網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸是具有時限的。

　　其實，實時性就是將系統(tǒng)對輸入信息做出響應(yīng)的時間加以約束，即系統(tǒng)的正確性不僅與系統(tǒng)處理信息結(jié)果的正確性有關(guān)，而且還與系統(tǒng)得到結(jié)果的時間有關(guān)，只有系統(tǒng)處理信息的結(jié)果正確和得到結(jié)果的時間在規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)才是實時系統(tǒng)。當(dāng)信息輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)必需在一定的時間內(nèi)做出響應(yīng)，如果反應(yīng)結(jié)果正確，但超過了時限，就認(rèn)為系統(tǒng)失敗。滿足一項任務(wù)的實時性是指其響應(yīng)時間小于規(guī)定的時限。一般實時應(yīng)用要求有兩個突出特點:一是其中的活動時間性比較強(qiáng)，要求在一定的時刻或一定的時間內(nèi)從外部環(huán)境收集信息，按彼此聯(lián)系存取已獲得的信息和處理收集的信息，再及時做出響應(yīng)；二是它們要處理“短暫”數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)只在一定的時間范圍內(nèi)有效，超過一定時限則就沒有意義了。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)實時性

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性有兩層含義:一是指基本控制器的實時性，通常，每一臺控制器要具有一定的實時性，一般來說，每一臺控制器所要承擔(dān)的任務(wù)不止一項，但每項任務(wù)對實時性都有一定要求，且可能會各不相同，每項任務(wù)對實時性的要求將由配置在基本控制器中的“實時多任務(wù)管理程序”來承擔(dān)；二是指通信網(wǎng)絡(luò)的實時性，控制系統(tǒng)具有通信功能的基本單元通過通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，這些單元稱為“站”，當(dāng)某個站向通信網(wǎng)絡(luò)請求通信時，它對“響應(yīng)時間”是有要求的，不同的站對實時性要求可能不同，同一站中的不同通信任務(wù)對實時性的要求也可能不同。

　　實時性是工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不同于普通lan(local area network局域網(wǎng))的最大特點，一般在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中信息響應(yīng)時間要求為0.01～0.5s，而普通lan中信息的響應(yīng)時間為2～6s，即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實時性要求比普通lan高得多，有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對實時性的要求比普通lan高幾百倍，這只有靠犧牲部分信道利用率來保證。顯然，若將普通lan加以時間約束，使之滿足控制系統(tǒng)的實時性要求，則它就可以應(yīng)用于控制系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)實時性條件

　　（1）網(wǎng)絡(luò)本身的硬件性能。包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信媒體、網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率等。通信媒體的傳輸速率越高、網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率越快，網(wǎng)絡(luò)的實時性就越高。

　　（2）網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。包括媒體的訪問控制方式、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)、傳輸?shù)目煽啃浴⒂袩o連接控制等等。層次結(jié)構(gòu)越簡單，系統(tǒng)的實時性就越高。而可靠性與實時性是相互矛盾的，對于無連接、無應(yīng)答的通信方式要比有連接、有應(yīng)答的通信方式的實時性要高，但可靠性差。例如通訊協(xié)議是profibus-dp現(xiàn)場總線協(xié)議，profibus-dp采用主從方式和低層的令牌環(huán)傳遞相結(jié)合的形式進(jìn)行通道分配，整個網(wǎng)絡(luò)可以將總線系統(tǒng)分割成線段分步建立，段間用中繼器來連接，每個段可以有32個網(wǎng)絡(luò)站，整個網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到126個網(wǎng)站，由于最大傳輸速率可達(dá)到12mbps，以及其第2層采用srd（發(fā)送并要求回送）功能，使得輸入和輸出數(shù)據(jù)可在一個周期內(nèi)完成，所以傳輸速度有了很大的提高，總線周期可盡量減少。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)的信息量。也稱為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，是指網(wǎng)絡(luò)在一定時間內(nèi)需要傳送信息的多少。網(wǎng)絡(luò)傳送信息量越少，其實時性就越高。

　　（4）信道利用率。實時性與通信子網(wǎng)的信道利用率是相互矛盾的，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，為了提高系統(tǒng)的實時性，不得不犧牲一部分信道利用率。

　　2.4 網(wǎng)絡(luò)時間域特點

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在時間域上具有以下一些特點，從而區(qū)分于其他系統(tǒng)。

　　（1）時限。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中執(zhí)行的任務(wù)一般具有時限要求，規(guī)定在特定時間內(nèi)完成特定的功能而不能超過這個時間。

　　（2）實時控制。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)經(jīng)常包括實時控制，接收輸入數(shù)據(jù)并做出控制決策。

　　（3）“反應(yīng)”系統(tǒng)。一般網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)都是“反應(yīng)”的系統(tǒng)，也就是說，由事件驅(qū)動并且必須對外界事件進(jìn)行響應(yīng)。

　　（4）并發(fā)處理。絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個重要特點是并發(fā)處理，通常，事件發(fā)生的順序是不可預(yù)測的。

　　（5）與外部環(huán)境交互。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常需要與外部環(huán)境進(jìn)行交互。

3 實時對象模型

　　3.1 對象模型

　　當(dāng)研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性時，需要考慮時間域上的問題，因此給出實時對象的定義。

　　定義1：實時對象可用如下的四元組表示：

orealtime=(ii,oi,p,t) （1）

　　其中orealtime為real-time object，表示具有實時性要求的對象；ii為input interface，表示輸入接口；0i為output interface，表示輸出接口；p為inner process，表示對象內(nèi)部處理；t為time，表示對象在時間上的要求。有了實時對象模型，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性主要體現(xiàn)在實時對象之間的交互上，也就是對實時對象中時間要求t的滿足。這里所要討論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性就是要尋求可行的解決方案，使得tr≤tδ,其中tδ表示某個實時對象的時間要求。

　　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，同步和數(shù)據(jù)交換一般要經(jīng)過消息傳遞，實時通信為保證實時任務(wù)的按時完成起著關(guān)鍵作用，它最重要的性質(zhì)是需要確定有界的消息傳遞延遲，不可預(yù)測的消息延遲可能會使參與實時通信的任務(wù)違反時限要求。

　　3.2 消息傳遞延遲

　　消息傳遞延遲是指發(fā)送節(jié)點通信對象開始發(fā)送消息到接收節(jié)點通信對象完全收到消息之間的時間間隔，主要包括以下幾個部分:

　　（1）消息在各節(jié)點通信對象內(nèi)的等待延遲。報文在每個通信對象上被阻塞的時間量是因為多條通道的報文同時到達(dá)一個通信對象所致。

　　（2）報文發(fā)送延遲。節(jié)點對象發(fā)送一個報文所需時間，它依賴于報文大小和發(fā)送率，一般為常數(shù)。

　　（3）鏈路上的傳播延遲。一個數(shù)據(jù)位在鏈路上的傳播時間。

　　其中，發(fā)送延遲和鏈路上的傳播延遲分別由網(wǎng)絡(luò)帶寬和信號傳播速度決定，而節(jié)點通信對象的消息排隊等待延遲由系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)所決定。

4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的通信分類

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)既包括實時數(shù)據(jù)，又包括非實時數(shù)據(jù)。

　　4.1 實時數(shù)據(jù)

　　如各種檢測器和控制器的i/o口的實時數(shù)據(jù)，信號、控制器之間的互鎖信號、部分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)等。實時數(shù)據(jù)對時間要求苛刻，一般不允許有秒級的延遲，在某些特殊情況下甚至不允許有毫秒級的延遲。另一方面，對大多數(shù)實時數(shù)據(jù)而言，只有最新數(shù)據(jù)是有意義的，如果在某一時間段內(nèi)，某一數(shù)據(jù)由于某種原因未能作用，而此時下一個數(shù)據(jù)已經(jīng)產(chǎn)生，則該數(shù)據(jù)將被丟棄，而啟用最新數(shù)據(jù)，因此實時數(shù)據(jù)一般不要求重發(fā)。例如:在本項目的溫度控制子系統(tǒng)中，閥門的開關(guān)是由溫度傳感器傳送的溫度信號決定的，此時控制器將只接收溫度傳感器傳送的最新數(shù)據(jù)；同樣，閥門將只接收控制器傳送的最新控制信號，否則便會產(chǎn)生滯后。實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對較少，對帶寬的占用率較低。

　4.2 非實時數(shù)據(jù)

　　如用戶編程數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)、部分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)等。非實時數(shù)據(jù)對時間要求不很苛刻，允許有相對較長的延遲，但這種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對較大，對帶寬的占用率較高，對絕大多數(shù)非實時數(shù)據(jù)而言，傳送的數(shù)據(jù)都是有意義的，一般不允許丟失，需要差錯控制和重發(fā)機(jī)制保證數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確。

　　4.3 通訊分類

　　從時域的角度看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的傳輸可以概括為三種類型的通信:周期性通信、隨機(jī)性通信和突發(fā)性通信。

　　（1）周期性通信。如傳感器周期性地傳送采樣數(shù)據(jù)，控制器周期性地傳送控制信號，這類通信的特點是通信周期性地發(fā)生，一般為相對固定的端到端的消息傳遞；傳送的數(shù)據(jù)一般為實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信量較小，占用固定的帶寬。

　　（2）隨機(jī)性通信。如客戶端向服務(wù)器端請求服務(wù)等，這類通信的特點是:

l通信隨機(jī)性地發(fā)生，一般符合負(fù)指數(shù)分布；
l傳送的數(shù)據(jù)一般為非實時數(shù)據(jù)；
l數(shù)據(jù)通信量較大。

　　（3）突發(fā)性通信。如報表信息等，這類通信的特點是:

l通信是突發(fā)的；
l傳送的數(shù)據(jù)一般為實時數(shù)據(jù)；
l數(shù)據(jù)通信量小。

　　4.4 周期性實時消息模型

　　（1）由于工業(yè)控制系統(tǒng)中的通訊絕大部分屬于周期性通信，我們著重看一下周期性實時通信。

　　定義:周期性通信中的消息流可以用如下周期性實時消息模型表示:

cm=（l,c,s,d）； （2）

　　式中，cm(cyclic message)為周期性消息；l(length)為周期性消息流長度，表示消息流的傳輸時間，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的信息域、校驗域和前導(dǎo)符等消息幀全部內(nèi)容；c(cycle)為通信周期，也即消息產(chǎn)生周期；s(start time)為發(fā)出通信請求的時刻，即消息產(chǎn)生的時刻，d(deadline)為消息時限，即消息從產(chǎn)生至到達(dá)目的節(jié)點所能允許的最大延遲時間。

　　（2）周期性消息流k表示為:

cmk=（lk,cx,sk,dk）； （3）

　　從周期性實時消息的定義可以得出，周期性通信實時性的滿足由如下條件決定:

　　l tp－s≤d,tp為消息傳送過程中的某一時刻，該條件說明消息從產(chǎn)生到最終到達(dá)目的節(jié)點不會超過其時限。

　　l tmax≤c,tmax為進(jìn)行周期性通信的節(jié)點獲得總線控制權(quán)的最大時間間隔。

　　 l tr≤l,tr為一次總線控制時間，該條件說明節(jié)點在獲得總線控制權(quán)后應(yīng)有充分的時間發(fā)送完所有的周期性消息。

　　對于周期性通信，要保證所有消息流的實時性，而不是某一個消息流的實時性，因此，要考慮通信中的最壞情況；另一方面，在保證實時性的前提下，還要考慮系統(tǒng)的綜合效率，即合理利用通信信道，保證信道利用率的平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

　　本文的分析對網(wǎng)絡(luò)的實時性問題作了更加全面討論，有利于在設(shè)計控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊時，更好的滿足實時性的要求，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。