網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)若干通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)特性分析

劉 欣

（民航東北地區(qū)空中交通管理局通信網(wǎng)絡(luò)中心，遼寧 沈陽110023）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)又稱為控制網(wǎng)絡(luò)，是控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)融合和發(fā)展的產(chǎn)物，它被廣泛運(yùn)用于帶有控制器分布設(shè)備且需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)合。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是最先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)，將會(huì)成為未來工業(yè)系統(tǒng)的中堅(jiān)力量。實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、客戶端、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)交互，從而使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)交互是控制系統(tǒng)的核心問題之一。在應(yīng)用環(huán)境的要求下，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)快速成響應(yīng)。最大限度地控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延遲，保證非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速和可靠對(duì)控制系統(tǒng)具有重要的意義。實(shí)時(shí)性問題在工業(yè)控制領(lǐng)域十分重要，本文就實(shí)時(shí)性的概念及其對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的影響進(jìn)行深入分析。

1 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的概念

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的定義

通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是指數(shù)據(jù)和信號(hào)的處理要在一定的時(shí)間內(nèi)完成［1］。在控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性并不是只強(qiáng)調(diào)迅速，而是指產(chǎn)生數(shù)據(jù)和事件，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)或事件進(jìn)行處理，并將所得結(jié)果發(fā)送至目的地。無論網(wǎng)絡(luò)的傳送速度如何，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)事件和數(shù)據(jù)產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作的系統(tǒng)被稱為具有實(shí)時(shí)性的控制系統(tǒng)［2］。通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)性是指網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間是可以預(yù)測(cè)的、是確定的、具有時(shí)限的。總而言之，實(shí)時(shí)性就是約束系統(tǒng)對(duì)輸入信息做出響應(yīng)的時(shí)間。判斷系統(tǒng)是否是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)是該系統(tǒng)能否在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)得到處理信息的正確結(jié)果。在信息或數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，如果超過了時(shí)間限制但是反應(yīng)結(jié)果正確，這個(gè)系統(tǒng)則被認(rèn)定為失敗系統(tǒng)。實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求有兩個(gè)突出特點(diǎn)：第一，活動(dòng)時(shí)間性較強(qiáng)，在一定的時(shí)間內(nèi)收集信息并及時(shí)處理；第二，要及時(shí)處理短暫數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)不能超過時(shí)限，否則就沒有任何意義。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性包括兩層含義；第一，基本控制器的實(shí)時(shí)性，即每一臺(tái)控制器的每項(xiàng)任務(wù)都有一定的時(shí)間要求。第二，通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，通信網(wǎng)絡(luò)的高新技術(shù)使得控制系統(tǒng)可以將具有通信功能的站點(diǎn)聯(lián)系在一起，每個(gè)站點(diǎn)在請(qǐng)求通信時(shí)對(duì)響應(yīng)時(shí)間都有一定的要求，不同站點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也不同，同一站點(diǎn)在執(zhí)行不同的通信任務(wù)時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也不同，時(shí)間的長(zhǎng)短是根據(jù)實(shí)際需要來定的［3］。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的條件

實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求具備以下幾個(gè)條件：第一，網(wǎng)絡(luò)自身的硬件性能。通信媒體、網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面的性能都是網(wǎng)絡(luò)硬件性能的重要組成部分，提高網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率和通信媒體的傳輸速率就能增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。第二，網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。傳輸?shù)目煽啃浴哟谓Y(jié)構(gòu)、媒體的訪問控制方式、有無連接控制等方面是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的組成部分。通信網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就越高［4］。網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與可靠性是矛盾的，無鏈接、無應(yīng)答的通信方式比有應(yīng)答、有連接的通信方式的實(shí)時(shí)性要高，但可靠性低。第三，網(wǎng)絡(luò)信道的利用率。通信子網(wǎng)的信道利用率跟通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是矛盾的，有時(shí)候在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，只有犧牲一部分的信道利用率才能提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。第四，網(wǎng)絡(luò)的信息量。網(wǎng)絡(luò)在某一特定時(shí)間內(nèi)需要傳輸信息的多少就是網(wǎng)絡(luò)信息量，同時(shí)也被稱為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，它與實(shí)時(shí)性也是成反比關(guān)系的，傳輸信息量越少，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性就越高。

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)特性的研究現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)特征

現(xiàn)場(chǎng)總線是實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的典型，從實(shí)時(shí)通信能力的角度來說，現(xiàn)場(chǎng)總線的類型不同，其研究的側(cè)重點(diǎn)也不同。對(duì)于Ethernet和CAN這兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究主要是集中在減小通信延遲的不確定性上。對(duì)于FF和WorldFIP，其研究側(cè)重于區(qū)分非周期和周期信息，并集中調(diào)度分別管理周期信息和非周期信息，所以將非周期信息的響應(yīng)模式和周期信息的調(diào)度算法納入其重點(diǎn)研究范圍。P－NET和PROFIBUS的研究主要集中在設(shè)定運(yùn)行周期和精確信息響應(yīng)模型上。

2.2 以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)特性

以太網(wǎng)的媒體訪問機(jī)制在一定程度上會(huì)造成鏈路獨(dú)占效應(yīng)，使通信不確定或延時(shí)，這是實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境中以太網(wǎng)在控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層方面的主要缺陷。所以，為了改進(jìn)以太網(wǎng)的通信實(shí)時(shí)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種方法，其中具有代表性的有以下兩種：

一是硬實(shí)時(shí)方法。為了達(dá)到實(shí)時(shí)通信的效果，可以改進(jìn)硬件的電路，限制站點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)的速率和時(shí)間，從而減少網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)延遲和碰撞的現(xiàn)象。提高節(jié)點(diǎn)的硬件成本是這個(gè)方法的最主要的弊端，因此不大適合大范圍的推廣。

二是軟實(shí)時(shí)的改進(jìn)方法。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問機(jī)制進(jìn)行軟件調(diào)度策略上的改進(jìn)，即在節(jié)點(diǎn)成本不變的情況下提高以太網(wǎng)的通信實(shí)時(shí)性。通常把軟實(shí)時(shí)改進(jìn)方法分為兩種，沖突避免和沖突解決。沖突避免是給每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一定的帶寬分配，讓其只能在分配的固定時(shí)間內(nèi)發(fā)送信息到網(wǎng)絡(luò)上，這樣可以給每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息確定并保證發(fā)送時(shí)間。另外，采用虛擬令牌也可以在一定程度上避免沖突。解決沖突則需要對(duì)二進(jìn)制指數(shù)后退算法進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以有效地減少報(bào)文的延遲，大大提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性［5］。

2.3 無線控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

對(duì)于無線控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的討論和深入的研究。這些研究在協(xié)議的設(shè)計(jì)上對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)缺乏考慮，因此在不同程度上出現(xiàn)了管理復(fù)雜、效率不高等缺點(diǎn)。我國(guó)學(xué)者提出制定不同的介質(zhì)訪問法要依據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制中傳輸信號(hào)的優(yōu)先級(jí)和類型來定，即無線實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制法。這個(gè)方法既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)用性又兼顧了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝剩?］。

3 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用和延伸。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)：安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高、總體價(jià)格降低、網(wǎng)絡(luò)管理靈活等。由于信號(hào)傳輸?shù)墓ぞ呤强偩€，因此網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是無法避免的。工業(yè)反饋控制系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的要求很高，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)過長(zhǎng)對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)的性能有很大的影響，嚴(yán)重情況下會(huì)破壞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的靈魂，只有有效地控制和解決網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題，才能確保網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，確保工業(yè)控制系統(tǒng)高效有序的運(yùn)行。

［1］顧洪軍，張 佐，吳秋峰.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性分析及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2001，37（06）：38－43.

［2］關(guān)守平，孫蘭香.長(zhǎng)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制［J］.控制與決策，2006，21（3）：311－314.

［3］楊麗曼，李運(yùn)華，袁海斌.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延分析及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究［J］.控制與決策，2004，21（1）：68－72.

［4］李炳宇，蕭蘊(yùn)詩.以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2002，（11）：34－38.

［5］李 明，馬燦明，吳石書，王 建，漆海霞.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信機(jī)制分析［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備.2006，（01）：29－31.

［6］胡道元 編著.計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.