控制系統通信網絡實時性問題的分析

1 引言

　　在控制系統中，重要的核心問題之一是實現現場生產設備、服務器、客戶端之間數據的動態交互，達到遠程實時監控、現場數據實時交互的目的。此外，還要求系統只傳送與用戶需求有關的數據更新，且傳輸延遲應當被控制在確定的時間內，即有實時性要求，任何控制系統離開實時性將變得毫無意義，實時性問題在工業監控領域具有十分重要的地位，本文將主要對現場數據動態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、運算和輸出都要在一定的時間內完成，并根據生產過程工況及現場情況變化及時進行處理。而實時系統指在事件或數據產生的同時，能夠在規定的時間內給予響應，以足夠快的速度處理，及時地將處理結果送往目的地的一種處理系統。實時與快速并非是相同的含義，不論網絡的傳輸速度如何，只要在規定的響應時間內產生響應動作，則稱系統具有實時性。而實時網絡是指網絡中數據傳輸的時間是確定的，即是可以預測的，也就是說，實時網絡中的數據傳輸是具有時限的。

　　其實，實時性就是將系統對輸入信息做出響應的時間加以約束，即系統的正確性不僅與系統處理信息結果的正確性有關，而且還與系統得到結果的時間有關，只有系統處理信息的結果正確和得到結果的時間在規定范圍內，系統才是實時系統。當信息輸入系統后，系統必需在一定的時間內做出響應，如果反應結果正確，但超過了時限，就認為系統失敗。滿足一項任務的實時性是指其響應時間小于規定的時限。一般實時應用要求有兩個突出特點:一是其中的活動時間性比較強，要求在一定的時刻或一定的時間內從外部環境收集信息，按彼此聯系存取已獲得的信息和處理收集的信息，再及時做出響應；二是它們要處理“短暫”數據，這種數據只在一定的時間范圍內有效，超過一定時限則就沒有意義了。

　　2.2 網絡實時性

　　網絡控制系統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的任務不止一項，但每項任務對實時性都有一定要求，且可能會各不相同，每項任務對實時性的要求將由配置在基本控制器中的“實時多任務管理程序”來承擔；二是指通信網絡的實時性，控制系統具有通信功能的基本單元通過通信網絡聯系在一起，這些單元稱為“站”，當某個站向通信網絡請求通信時，它對“響應時間”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對實時性的要求也可能不同。

　　實時性是工業監控網絡不同于普通lan(local area network局域網)的最大特點，一般在工業控制網絡中信息響應時間要求為0.01～0.5s，而普通lan中信息的響應時間為2～6s，即工業控制網絡的實時性要求比普通lan高得多，有的工業控制網絡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，使之滿足控制系統的實時性要求，則它就可以應用于控制系統，作為控制系統的通信網絡。

　　2.3 網絡實時性條件

　　（1）網絡本身的硬件性能。包括網絡的拓撲結構、通信媒體、網絡接口的傳送速率等。通信媒體的傳輸速率越高、網絡接口的傳送速率越快，網絡的實時性就越高。

　　（2）網絡的通信協議。包括媒體的訪問控制方式、網絡通信協議的層次結構、傳輸的可靠性、有無連接控制等等。層次結構越簡單，系統的實時性就越高。而可靠性與實時性是相互矛盾的，對于無連接、無應答的通信方式要比有連接、有應答的通信方式的實時性要高，但可靠性差。例如通訊協議是profibus-dp現場總線協議，profibus-dp采用主從方式和低層的令牌環傳遞相結合的形式進行通道分配，整個網絡可以將總線系統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個網絡站，整個網絡可以達到126個網站，由于最大傳輸速率可達到12mbps，以及其第2層采用srd（發送并要求回送）功能，使得輸入和輸出數據可在一個周期內完成，所以傳輸速度有了很大的提高，總線周期可盡量減少。

　　（3）網絡的信息量。也稱為網絡的負載，是指網絡在一定時間內需要傳送信息的多少。網絡傳送信息量越少，其實時性就越高。

　　（4）信道利用率。實時性與通信子網的信道利用率是相互矛盾的，在工業控制網絡中，為了提高系統的實時性，不得不犧牲一部分信道利用率。

　　2.4 網絡時間域特點

　　網絡控制系統在時間域上具有以下一些特點，從而區分于其他系統。

　　（1）時限。網絡控制系統中執行的任務一般具有時限要求，規定在特定時間內完成特定的功能而不能超過這個時間。

　　（2）實時控制。網絡控制系統經常包括實時控制，接收輸入數據并做出控制決策。

　　（3）“反應”系統。一般網絡控制系統都是“反應”的系統，也就是說，由事件驅動并且必須對外界事件進行響應。

　　（4）并發處理。絕大多數網絡控制系統的一個重要特點是并發處理，通常，事件發生的順序是不可預測的。

　　（5）與外部環境交互。網絡控制系統通常需要與外部環境進行交互。

3 實時對象模型

　　3.1 對象模型

　　當研究網絡控制系統的實時性時，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，網絡控制系統的實時性主要體現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。這里所要討論的網絡控制系統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。

　　在網絡控制系統中，同步和數據交換一般要經過消息傳遞，實時通信為保證實時任務的按時完成起著關鍵作用，它最重要的性質是需要確定有界的消息傳遞延遲，不可預測的消息延遲可能會使參與實時通信的任務違反時限要求。

　　3.2 消息傳遞延遲

　　消息傳遞延遲是指發送節點通信對象開始發送消息到接收節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）消息在各節點通信對象內的等待延遲。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一個通信對象所致。

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

　　（3）鏈路上的傳播延遲。一個數據位在鏈路上的傳播時間。

　　其中，發送延遲和鏈路上的傳播延遲分別由網絡帶寬和信號傳播速度決定，而節點通信對象的消息排隊等待延遲由系統的軟件結構所決定。

4 網絡控制系統中的通信分類

　　網絡控制系統是一個復雜的綜合性系統，在網絡控制系統中需要傳輸的數據既包括實時數據，又包括非實時數據。

　　4.1 實時數據

　　如各種檢測器和控制器的i/o口的實時數據，信號、控制器之間的互鎖信號、部分系統狀態監視數據等。實時數據對時間要求苛刻，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，對大多數實時數據而言，只有最新數據是有意義的，如果在某一時間段內，某一數據由于某種原因未能作用，而此時下一個數據已經產生，則該數據將被丟棄，而啟用最新數據，因此實時數據一般不要求重發。例如:在本項目的溫度控制子系統中，閥門的開關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據；同樣，閥門將只接收控制器傳送的最新控制信號，否則便會產生滯后。實時數據的數據量相對較少，對帶寬的占用率較低。

　4.2 非實時數據

　　如用戶編程數據、組態數據、部分系統狀態監視數據等。非實時數據對時間要求不很苛刻，允許有相對較長的延遲，但這種數據的數據量相對較大，對帶寬的占用率較高，對絕大多數非實時數據而言，傳送的數據都是有意義的，一般不允許丟失，需要差錯控制和重發機制保證數據的完整和準確。

　　4.3 通訊分類

　　從時域的角度看，網絡控制系統中實時數據和非實時數據的傳輸可以概括為三種類型的通信:周期性通信、隨機性通信和突發性通信。

　　（1）周期性通信。如傳感器周期性地傳送采樣數據，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生，一般為相對固定的端到端的消息傳遞；傳送的數據一般為實時數據，數據通信量較小，占用固定的帶寬。

　　（2）隨機性通信。如客戶端向服務器端請求服務等，這類通信的特點是:

l通信隨機性地發生，一般符合負指數分布；
l傳送的數據一般為非實時數據；
l數據通信量較大。

　　（3）突發性通信。如報表信息等，這類通信的特點是:

l通信是突發的；
l傳送的數據一般為實時數據；
l數據通信量小。

　　4.4 周期性實時消息模型

　　（1）由于工業控制系統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，包括網絡協議規定的信息域、校驗域和前導符等消息幀全部內容；c(cycle)為通信周期，也即消息產生周期；s(start time)為發出通信請求的時刻，即消息產生的時刻，d(deadline)為消息時限，即消息從產生至到達目的節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生到最終到達目的節點不會超過其時限。

　　l tmax≤c,tmax為進行周期性通信的節點獲得總線控制權的最大時間間隔。

　　 l tr≤l,tr為一次總線控制時間，該條件說明節點在獲得總線控制權后應有充分的時間發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，還要考慮系統的綜合效率，即合理利用通信信道，保證信道利用率的平穩。

5 結束語

　　本文的分析對網絡的實時性問題作了更加全面討論，有利于在設計控制系統的網絡通訊時，更好的滿足實時性的要求，提高控制系統的響應速度。