網絡控制系統(tǒng)若干通信網絡實時特性分析

劉 欣

（民航東北地區(qū)空中交通管理局通信網絡中心，遼寧 沈陽110023）

0 引 言

網絡控制系統(tǒng)又稱為控制網絡，是控制技術、通信技術、計算機技術融合和發(fā)展的產物，它被廣泛運用于帶有控制器分布設備且需要進行數據交換的場合。網絡控制系統(tǒng)是最先進的工業(yè)控制系統(tǒng)，將會成為未來工業(yè)系統(tǒng)的中堅力量。實現服務器、客戶端、現場生產設備的動態(tài)交互，從而使現場數據與遠程監(jiān)控實時交互是控制系統(tǒng)的核心問題之一。在應用環(huán)境的要求下，網絡控制系統(tǒng)應傳輸實時數據和非實時數據，以實現快速成響應。最大限度地控制實時數據傳輸延遲，保證非實時數據的快速和可靠對控制系統(tǒng)具有重要的意義。實時性問題在工業(yè)控制領域十分重要，本文就實時性的概念及其對網絡控制系統(tǒng)的影響進行深入分析。

1 通信網絡實時性的概念

1.1 通信網絡實時性的定義

通信網絡的實時性是指數據和信號的處理要在一定的時間內完成［1］。在控制系統(tǒng)中，實時性并不是只強調迅速，而是指產生數據和事件，在規(guī)定的時間內及時地對數據或事件進行處理，并將所得結果發(fā)送至目的地。無論網絡的傳送速度如何，在規(guī)定時間內對事件和數據產生響應動作的系統(tǒng)被稱為具有實時性的控制系統(tǒng)［2］。通信網絡中的實時性是指網絡中傳輸數據的時間是可以預測的、是確定的、具有時限的?？偠灾瑢崟r性就是約束系統(tǒng)對輸入信息做出響應的時間。判斷系統(tǒng)是否是實時系統(tǒng)的主要標準是該系統(tǒng)能否在規(guī)定的時間范圍內得到處理信息的正確結果。在信息或數據輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)要在規(guī)定的時間內做出反應，如果超過了時間限制但是反應結果正確，這個系統(tǒng)則被認定為失敗系統(tǒng)。實時應用的要求有兩個突出特點：第一，活動時間性較強，在一定的時間內收集信息并及時處理；第二，要及時處理短暫數據，這種數據不能超過時限，否則就沒有任何意義。

網絡控制系統(tǒng)的實時性包括兩層含義；第一，基本控制器的實時性，即每一臺控制器的每項任務都有一定的時間要求。第二，通信網絡的實時性，通信網絡的高新技術使得控制系統(tǒng)可以將具有通信功能的站點聯系在一起，每個站點在請求通信時對響應時間都有一定的要求，不同站點對實時性的要求也不同，同一站點在執(zhí)行不同的通信任務時對實時性的要求也不同，時間的長短是根據實際需要來定的［3］。

1.2 通信網絡實時性的條件

實現通信網絡的實時性要求具備以下幾個條件：第一，網絡自身的硬件性能。通信媒體、網絡接口的傳送速率和拓撲結構等方面的性能都是網絡硬件性能的重要組成部分，提高網絡接口的傳送速率和通信媒體的傳輸速率就能增強通信網絡的實時性。第二，網絡的通信協議。傳輸的可靠性、層次結構、媒體的訪問控制方式、有無連接控制等方面是網絡通信協議的組成部分。通信網絡層次結構越簡單，控制系統(tǒng)的實時性就越高［4］。網絡的實時性與可靠性是矛盾的，無鏈接、無應答的通信方式比有應答、有連接的通信方式的實時性要高，但可靠性低。第三，網絡信道的利用率。通信子網的信道利用率跟通信網絡的實時性是矛盾的，有時候在工業(yè)控制網絡中，只有犧牲一部分的信道利用率才能提高系統(tǒng)的實時性。第四，網絡的信息量。網絡在某一特定時間內需要傳輸信息的多少就是網絡信息量，同時也被稱為網絡的負載，它與實時性也是成反比關系的，傳輸信息量越少，網絡的實時性就越高。

2 網絡控制系統(tǒng)中通信網絡實時特性的研究現狀

2.1 現場總線的實時特征

現場總線是實時通信網絡的典型，從實時通信能力的角度來說，現場總線的類型不同，其研究的側重點也不同。對于Ethernet和CAN這兩個現場總線的研究主要是集中在減小通信延遲的不確定性上。對于FF和WorldFIP，其研究側重于區(qū)分非周期和周期信息，并集中調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模式和周期信息的調度算法納入其重點研究范圍。P－NET和PROFIBUS的研究主要集中在設定運行周期和精確信息響應模型上。

2.2 以太網的實時特性

以太網的媒體訪問機制在一定程度上會造成鏈路獨占效應，使通信不確定或延時，這是實時應用環(huán)境中以太網在控制現場設備層方面的主要缺陷。所以，為了改進以太網的通信實時性，國內外學者提出了各種方法，其中具有代表性的有以下兩種：

一是硬實時方法。為了達到實時通信的效果，可以改進硬件的電路，限制站點訪問網絡的速率和時間，從而減少網絡排隊延遲和碰撞的現象。提高節(jié)點的硬件成本是這個方法的最主要的弊端，因此不大適合大范圍的推廣。

二是軟實時的改進方法。對網絡的媒體訪問機制進行軟件調度策略上的改進，即在節(jié)點成本不變的情況下提高以太網的通信實時性。通常把軟實時改進方法分為兩種，沖突避免和沖突解決。沖突避免是給每個節(jié)點實現一定的帶寬分配，讓其只能在分配的固定時間內發(fā)送信息到網絡上，這樣可以給每個節(jié)點的信息確定并保證發(fā)送時間。另外，采用虛擬令牌也可以在一定程度上避免沖突。解決沖突則需要對二進制指數后退算法進行改進，這樣可以有效地減少報文的延遲，大大提高以太網的實時性［5］。

2.3 無線控制網絡的實時性

對于無線控制網絡的實時性，國內外專家學者進行了廣泛的討論和深入的研究。這些研究在協議的設計上對工業(yè)控制網絡信號傳輸的特點缺乏考慮，因此在不同程度上出現了管理復雜、效率不高等缺點。我國學者提出制定不同的介質訪問法要依據網絡控制中傳輸信號的優(yōu)先級和類型來定，即無線實時介質訪問控制法。這個方法既保證了數據傳輸的實用性又兼顧了數據傳輸的高效率［6］。

3 結束語

網絡控制系統(tǒng)是網絡技術在工業(yè)控制領域的應用和延伸。網絡控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)更有優(yōu)勢：安裝維護簡單、可靠性高、總體價格降低、網絡管理靈活等。由于信號傳輸的工具是總線，因此網絡延時是無法避免的。工業(yè)反饋控制系統(tǒng)對于網絡實時性的要求很高，網絡延時過長對于工業(yè)控制系統(tǒng)的性能有很大的影響，嚴重情況下會破壞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通信網絡的實時性是網絡控制系統(tǒng)的靈魂，只有有效地控制和解決網絡延時問題，才能確保網絡的實時性，確保工業(yè)控制系統(tǒng)高效有序的運行。

［1］顧洪軍，張 佐，吳秋峰.網絡控制系統(tǒng)的實時特性分析及數據傳輸技術［J］.計算機工程與應用.2001，37（06）：38－43.

［2］關守平，孫蘭香.長延時網絡控制系統(tǒng)的建模與控制［J］.控制與決策，2006，21（3）：311－314.

［3］楊麗曼，李運華，袁海斌.網絡控制系統(tǒng)的時延分析及數據傳輸技術研究［J］.控制與決策，2004，21（1）：68－72.

［4］李炳宇，蕭蘊詩.以太網在網絡控制系統(tǒng)中的應用與發(fā)展趨勢［J］.微型機與應用，2002，（11）：34－38.

［5］李 明，馬燦明，吳石書，王 建，漆海霞.網絡控制系統(tǒng)的通信機制分析［J］.電力自動化設備.2006，（01）：29－31.

［6］胡道元 編著.計算機局域網［M］.北京：清華大學出版社，1996.