工業無線控制網絡中的實時性問題研究

李 侃

（蘭州市蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730014）

1 工業控制網絡的簡介

工業控制網絡是計算機網絡、通訊及其自動控制技術之間相互結合，不斷形成的產物，是自動控制領域的一種網絡技術。工程控制網絡技術在不斷發展，它能傳輸設備之間的實時數據，滿足一個區域內所有用戶共享資源和協調操作的需求[1]。

由于無線網絡的傳輸速度加快以及工業領域無線網絡產品的出現，在工業控制系統中運用無線網絡的機會在不斷增加，應用無線網絡有很多優點，可以使網絡控制系統擴展到光纜或者電纜不便于鋪設的特別環境中，而且還可以運用到控制網絡的節點有移動的環境中，在實際的操作中無線網絡還可以補充和備份有線網絡。

2 工業控制網絡的特點

2.1 實時性

實時性是整個工程控制系統中的重要指標，實時所表現出的就是當某件事情發生后，系統一定時間內可以明確的作出反應。

獲取網絡資源的困難有：很難預測到需要網絡資源的節點；很難控制節點需要網絡資源的時間；很難預測到節點是否需要節點等。這些因素無疑給傳輸的實時性帶來了一定的難度。

工業控制主要運用在工業現場，主要傳輸現場數據，是一種通訊網絡。在工業現場，環境復雜多變，工業設備儀器種類豐富，工業運轉過程中所產生的數據類型及涉及的運算程度復雜，實現工業控制有一定的難度。以下我們對工業現場需要傳輸的數據進行分類：

1）實時數據和非實時數據

實時數據對時間的要求高，必須把時間精確到毫秒，不容許有按秒計算的延誤。而且要保證數據及時更新，在一定的時間內某一數據沒有發揮出其價值，該數據就沒有使用的意義了，就需要重新產生需要的數據，沒有重發的要求的。實時數據占用很少部分的帶寬，數據量也不是很多。具體的實時數據有各種檢測器的信號、一部分系統監視數據的狀態。

非實時數據沒有實時數據對時間的要求嚴格，可以接受一定程度的數據延誤，但是非實時數據的數據量比較大，也在帶寬上占用較多，對非實時數據要求保存，不允許丟失。具體的非實時數據有用戶的編程數據、組態數據等。

2）周期性數據、突發性數據和隨機性數據

工業環境中周期性數據存在很多，一般情況下都是相對固定的信息傳遞，在時間上也是可以預測的，傳送的數據是實時數據，有一定的優先級，占用一定的帶寬，但數據的通信量不多。具體的周期性數據有通過傳感器采集的現場數據、通過控制器傳送的控制信號等[2]。

突發性數據發生的時間是難以預測的，它所傳送的數據為實時數據，有一定的優先級，但是數據的通信量不大。具體的突發性數據有報警信息、事件的通知等。

隨機性數據發生的時間也是不可預測的，但是它傳送的是非實時數據且優先級低，數據的通訊量是相當大的。具體的隨機性數據有數據庫的管理、程序的下載上傳等。

2.2 優先級

無線網絡上的節點并不是公平的爭取網絡資源，網絡資源總是先應用在更需要的的節點上，無形中就會產生優先級。因為網絡資源并不是無線的，通過優先級可以保證信息的有序傳送，從而實現信息的實時性。

2.3 可靠性

傳送的信息必須保證其可靠性，而在工業現場由于環境復雜，機器設備噪聲會產生一定的干擾，對網絡信息的可靠很難保證，這就需要相應的措施來避免信息傳送的錯誤，保障整體系統的運作。

3 常見工業控制網絡的實時性分析

3.1 現場總線

現場總線是應用在工業生產現場的，它可以實現在微機化測量控制設備間的雙向串行多節點的數字通訊系統，能保證不同節點之間的通訊和協調，并且能完成實時控制信息和非實時控制信息的通信。現場總線系統就是把網絡中的節點連接起來，使其之間可以進行溝通、通信，從而完成整個網絡控制系統的任務。

3.2 工業以太網

以太網相比于現場總線，所提供的基本框架式是開放式的，能實現更全面的信息集成，全面到管理層和各個現場控制層。之后隨著互聯網技術的不斷發展，在以太網領域也引入了很多新的技術，對以太網的實時性有很大的提高。

3.3 工業控制網絡的實時性

實時性實質就是約束傳輸的信息對系統的反應時間，要保證系統的正確性必須從兩方面入手,一方面要保證系統處理信息的結果正確，另一方面要控制系統產生結果的時間，只有這兩方面都有保障才能使得系統是實時系統。系統必須對輸入的信息在規定時間內做出反應，即使反應的結果顯示正確，如果時間上沒有控制好，還是認定為系統操作失敗。總之，實時應用對時間的要求高，在規定的時間內處理收集到的信息，并及時作出反應，這種數據只在限定的時間內有意義，所以要控制好時間范圍。

在工業控制網絡中，實時性具體上要保證信號的輸入、運算及輸出都控制嚴格的時間，并結合工業生產的實際情況及時做出相應的處理。避免時間處理不當導致的嚴重后果。網絡延遲時間可以用來描述系統的實時性，也是測試整個控制網絡的實時性指標。

3.4 現場總線的介質訪問控制分析

在工業企業實際的生產中，必須保證整個控制網絡的實時性和可靠性，為了提高控制網路的實時性和可靠性，可以采用介質訪問控制的方式，其中現場總線的MAC層存在很大的決定因素，也設置了信道使用權的分配方式[3]。

我們都知道現場總線網絡只有一條通信通道，網絡上的節點共享這條通道，如何使用這僅有的通道成為重要的問題。以下主要分析一種現場總線的介質訪問控制方法。

LonWorks適應總線型、星型、環形及混合型等拓撲結構，也適應雙絞線、電力線、無線電波、紅外線等傳輸介質，而收發器和介質的選擇依據現場的實際情況。LonWorks利用的是“先聽后發，邊聽邊發，沖突停止，延時重發”的方式，它的MAC層是以CSMA/CD為基礎的，這種方式的算法簡單，可靠性也能有所提高，且能保證低中負荷的實時性。

在使用LonWorks總線時，首先要檢查在一定周期內內檢測通道是不是處于空閑的網絡狀態，要知道節點的發送是必須占用一定的通道的。其次增加一定的優先級時間片，保證一定優先等級，因為優先級高的情況下所加的時間片就會少。接著根據網絡積壓參數產生的隨機等待時間片，在實踐延長結束的情況下，網絡還保持空閑，節點就要以同樣的概率發送報文。如果節點在檢測的時候有信息發送，在接受到信息之后再進行MAC的算法操作。這種方式能使介質訪問在負載輕的情況下得到最小化的延遲，可以減少一定的沖突，但是不能消除沖突。

4 結束語

網絡資源要實現網絡資源各個節點的共享，就要解決信號發送過程中的渠道競爭、信號沖突等問題，盡可能的避免信號傳輸形成的等待延時。為了工業控制網絡的有效運轉，必須保證網絡實時性，網絡時延過長在控制系統的性能上會產生不利的影響，或者會導致整個系統的不穩定。所以，工業無線控制網絡中要特別解決實時性的問題。

[1]龔本治.工業無線網絡實時路由協議研究與實現[D].武漢理工大學,2009.

[2]魏旻,王平,王泉.工業無線控制網絡安全方法的研究與實現[J].儀器儀表學報,2009,04:679-684.

[3]宋興儒.工業無線/有線網絡的集成研究與實現[D].華東理工大學,2013.