摘 要：本文介紹了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)行性問(wèn)題的幾個(gè)對(duì)象模型，并且對(duì)模型做了較為深入的分析，詳細(xì)論述了滿足網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求的各方面因素，有利于大家對(duì)不同的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性問(wèn)題的分析。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)性，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

Abstract：This article introduces several models about industrial network’s real-time problem, also it has a deeply analysis of the models and expatiates various elements to satisfy the demands of industrial network’s real-time characteristic，so it can benefit us to analyze the network’s real-time characteristic better in different industrial control systems.

Key words: real-time, industrial network

1.引言

在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，最重要的內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備之間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互，從而達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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)，且傳輸延遲應(yīng)當(dāng)被控制在一定的時(shí)間內(nèi)，即有實(shí)時(shí)性要求，任何工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)離開實(shí)時(shí)性將變得沒(méi)有意義，實(shí)時(shí)性問(wèn)題在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域具有十分重要的地位，所以本文主要對(duì)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換及實(shí)時(shí)性作進(jìn)一步研究。

2.實(shí)時(shí)性的概念

實(shí)時(shí)是指信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工況及現(xiàn)場(chǎng)情況變化及時(shí)進(jìn)行處理。而實(shí)時(shí)系統(tǒng)指在事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時(shí)，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給予響應(yīng)，以足夠快的速度處理，及時(shí)地將處理結(jié)果送往目的地的一種處理系統(tǒng)。實(shí)時(shí)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作，則稱系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。而實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是確定的，即是可以預(yù)測(cè)的，也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸是具有時(shí)限的。

其實(shí)，實(shí)時(shí)性就是將系統(tǒng)對(duì)輸入信息做出響應(yīng)的時(shí)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(shí)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(shí)間在規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)才是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。當(dāng)信息輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)必需在一定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，如果反應(yīng)結(jié)果正確，但超過(guò)了時(shí)限，就認(rèn)為系統(tǒng)失敗。滿足一項(xiàng)任務(wù)的實(shí)時(shí)性是指其響應(yīng)時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)限。一般實(shí)時(shí)應(yīng)用要求有兩個(gè)突出特點(diǎn):一是其中的活動(dòng)時(shí)間性比較強(qiáng)，要求在一定的時(shí)刻或一定的時(shí)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(shí)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(shí)間范圍內(nèi)有效，超過(guò)一定時(shí)限則就沒(méi)有意義了。

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性有兩層含義:一是指基本控制器的實(shí)時(shí)性，通常每一臺(tái)控制器要具有一定的實(shí)時(shí)性，一般來(lái)說(shuō)，每一臺(tái)控制器所要承擔(dān)的任務(wù)不止一項(xiàng)，但每項(xiàng)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性都有一定要求，且可能會(huì)各不相同，每項(xiàng)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求將由配置在基本控制器中的“實(shí)時(shí)多任務(wù)管理程序”來(lái)承擔(dān);二是指通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中具有通信功能的基本單元通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，這些單元稱為“站”，當(dāng)某個(gè)站向通信網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求通信時(shí)，它對(duì)“響應(yīng)時(shí)間”是有要求的，不同的站對(duì)實(shí)時(shí)性要求可能不同，同一站中的不同通信任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也可能不同。 　　實(shí)時(shí)性是工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)不同于普通LAN的最大特點(diǎn)，一般在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中信息響應(yīng)時(shí)間要求為0.01～0.5S，而普通LAN中信息的響應(yīng)時(shí)間為2～6S，即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求比普通LAN高得多，有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)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(lái)保證。顯然，若將普通LAN加以時(shí)間約束，使之滿足工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，則它就可以應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，作為工業(yè)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性主要與以下幾個(gè)方面有關(guān):

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(shí)時(shí)性就越高。

②網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議：包括媒體的訪問(wèn)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?、有無(wú)連接控制等等。層次結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就越高。而可靠性與實(shí)時(shí)性是相互矛盾的，對(duì)于無(wú)連接、無(wú)應(yīng)答的通信方式要比有連接、有應(yīng)答的通信方式的實(shí)時(shí)性要高，但可靠性差。例如通訊協(xié)議是PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(lái)連接，每個(gè)段可以有32個(gè)網(wǎng)絡(luò)站，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到126個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)時(shí)性就越高。

④實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，不得不犧牲一部分信道利用率。

另外，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間域上具有以下一些特點(diǎn)，從而區(qū)分于其他系統(tǒng)：

①時(shí)限：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行的任務(wù)一般具有時(shí)限要求，規(guī)定在特定時(shí)間內(nèi)完成特定的功能而不能超過(guò)這個(gè)時(shí)間。

②實(shí)時(shí)控制：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常包括實(shí)時(shí)控制，接收輸入數(shù)據(jù)并做出控制決策。

③“反應(yīng)”系統(tǒng)：一般工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中都是“反應(yīng)”的系統(tǒng)，也就是說(shuō)，由事件驅(qū)動(dòng)并且必須對(duì)外界事件進(jìn)行響應(yīng).

④并發(fā)處理：絕大多數(shù)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)是并發(fā)處理，通常，事件發(fā)生的順序是不可預(yù)測(cè)的。

⑤與外部環(huán)境交互：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)通常需要與外部環(huán)境進(jìn)行交互。

3.實(shí)時(shí)對(duì)象模型

當(dāng)研究工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性時(shí)，需要考慮時(shí)間域上的問(wèn)題，因此給出實(shí)時(shí)對(duì)象的定義。

定義1：實(shí)時(shí)對(duì)象可用如下的四元組表示

（式1-1）

其中orealtime為Real-time Object，表示具有實(shí)時(shí)性要求的對(duì)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(duì)象內(nèi)部處理;t為Time，表示對(duì)象在時(shí)間上的要求。有了實(shí)時(shí)對(duì)象模型，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)對(duì)象之間的交互上，也就是對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)象中時(shí)間要求t的滿足。這里所要討論的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性就是要尋求可行的解決方案，使得tr≤tΔ,其中tΔ表示某個(gè)實(shí)時(shí)對(duì)象的時(shí)間要求。

在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，同步和數(shù)據(jù)交換一般要經(jīng)過(guò)消息傳遞，實(shí)時(shí)通信為保證實(shí)時(shí)任務(wù)的按時(shí)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(cè)的消息延遲可能會(huì)使參與實(shí)時(shí)通信的任務(wù)違反時(shí)限要求。消息傳遞延遲是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象開始發(fā)送消息到接收節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象完全收到消息之間的時(shí)間間隔，主要包括以下幾個(gè)部分:

① 消息在各節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象內(nèi)的等待延遲:報(bào)文在每個(gè)通信對(duì)象上被阻塞的時(shí)間量是因?yàn)槎鄺l通道的報(bào)文同時(shí)到達(dá)一個(gè)通信對(duì)象所致。

② 報(bào)文發(fā)送延遲:節(jié)點(diǎn)對(duì)象發(fā)送一個(gè)報(bào)文所需時(shí)間，它依賴于報(bào)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(gè)數(shù)據(jù)位在鏈路上的傳播時(shí)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(hào)傳播速度決定，而節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象的消息排隊(duì)等待延遲由系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)所決定。

4.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中的通信分類

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又包括非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù):

①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù):如各種檢測(cè)器和控制器的I/O口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，信號(hào)、控制器之間的互鎖信號(hào)、部分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間要求苛刻，一般不允許有秒級(jí)的延遲，在某些特殊情況下甚至不允許有毫秒級(jí)的延遲。另一方面，對(duì)大多數(shù)實(shí)時(shí)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(shí)間段內(nèi)，某一數(shù)據(jù)由于某種原因未能作用，而此時(shí)下一個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一般不要求重發(fā)。

②非實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間要求不很苛刻，允許有相對(duì)較長(zhǎng)的延遲，但這種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，對(duì)帶寬的占用率較高，對(duì)絕大多數(shù)非實(shí)時(shí)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(cuò)控制和重發(fā)機(jī)制保證數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確。

從時(shí)域的角度看，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)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(hào)。

②隨機(jī)性通信:如客戶端向服務(wù)器端請(qǐng)求服務(wù)等。

③突發(fā)性通信:如報(bào)表信息等。

5.周期性實(shí)時(shí)消息模型

由于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)通信。

定義:周期性通信中的消息流可以用如下周期性實(shí)時(shí)消息模型表示:

CM= （L, C, S, D ）;〔式1-2〕

式中，CM（Cyclic Message）為周期性消息;L（Length）為周期性消息流長(zhǎng)度，表示消息流的傳輸時(shí)間，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的信息域、校驗(yàn)域和前導(dǎo)符等消息幀全部?jī)?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(qǐng)求的時(shí)刻，即消息產(chǎn)生的時(shí)刻，D（Deadline）為消息時(shí)限，即消息從產(chǎn)生至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所能允許的最大延遲時(shí)間。

周期性消息流k表示為:

CMK=（Lk,Cx,Sk,Dk）;〔式1-3〕

從周期性實(shí)時(shí)消息的定義可以得出，周期性通信實(shí)時(shí)性的滿足由如下條件決定:

① tp-S≤D,tp為消息傳送過(guò)程中的某一時(shí)刻，該條件說(shuō)明消息從產(chǎn)生到最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)不會(huì)超過(guò)其時(shí)限。

② Tmax≤C, Tmax為進(jìn)行周期性通信的節(jié)點(diǎn)獲得總線控制權(quán)的最大時(shí)間間隔。

③ tR≤L, tR為一次總線控制時(shí)間，該條件說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在獲得總線控制權(quán)后應(yīng)有充分的時(shí)間發(fā)送完所有的周期性消息。

對(duì)于周期性通信，要保證所有消息流的實(shí)時(shí)性，而不是某一個(gè)消息流的實(shí)時(shí)性，因此，要考慮通信中的最壞情況;另一方面，在保證實(shí)時(shí)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)。

6.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面的分析，使大家對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題有了更加全面和深刻的了解，有利于我們?cè)谠O(shè)計(jì)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，更好的滿足實(shí)時(shí)性的要求，提高工業(yè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

7.參考文獻(xiàn)

1.《用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)》唐濟(jì)揚(yáng)，2000（1）

2.《信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成技術(shù)》胡道元，清華大學(xué)出版社, 1996

3.《集散控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)》秦肖榛，計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 1997.5

作者簡(jiǎn)介：董杰（1979-）男，學(xué)歷-山東大學(xué)碩士研究生，職稱-講師，現(xiàn)在山東省青年管理干部學(xué)院從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面的教學(xué)和科研工作，有豐富的項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。