工业通讯网络实时性问题的研究.docx

工业通讯网络实时性问题的研究ronggang导语：本文介绍了工业网络实行性问题的几个对象模型，并且对模型做了较为深化的分析，具体阐述了知足网络实时性要求的各方面因素，有利于大家对不同的工业控制系统进展网络实时性问题的分析摘要：本文介绍了工业网络实行性问题的几个对象模型，并且对模型做了较为深化的分析，具体阐述了知足网络实时性要求的各方面因素，有利于大家对不同的工业控制系统进展网络实时性问题的分析。关键词：实时性，工业网络Abstract：Thisarticleintroducesseveralmodelsaboutindustrialnetworksreal-timeproblem,alsoithasadeeplyanalysisofthemodelsandexpatiatesvariouselementstosatisfythedemandsofindustrialnetworksreal-timecharacteristic，soitcanbenefitustoanalyzethenetworksreal-timecharacteristicbetterindifferentindustrialcontrolsystems.Keywords:real-time,industrialnetwork1.引言在工业通讯网络中，最重要的内容是实现现场消费设备、监控设备之间数据的动态交互，进而到达远程实时监控、现场数据实时交互的目的。此外，还要求系统只传送与用户需求有关的数据，且传输延迟应当被控制在一定的时间内，即有实时性要求，任何工业通讯网络分开实时性将变得没有意义，实时性问题在工业监控领域具有特别重要的地位，所以本文主要对工业通讯网络数据动态交换及实时性作进一步研究。2.实时性的概念实时是指信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并根据消费经过工况及现场情况变化及时进展处理。而实时系统指在事件或者数据产生的同时，可以在规定的时间内给予响应，以足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地的一种处理系统。实时与快速并非是一样的含义，不管网络的传输速度怎样，只要在规定的响应时间内产生响应动作，那么称系统具有实时性。而实时网络是指网络中数据传输的时间是确定的，即是可以预测的，也就是讲，实时网络中的数据传输是具有时限的。其实，实时性就是将系统对输入信息做出响应的时间加以约束，即系统的正确性不仅与系统处理信息结果的正确性有关，而且还与系统得到结果的时间有关，只有系统处理信息的结果正确和得到结果的时间在规定范围内，系统才是实时系统。当信息输入系统后，系统必须在一定的时间内做出响应，假如反响结果正确，但超过了时限，就以为系统失败。知足一项任务的实时性是指其响应时间小于规定的时限。一般实时应用要求有两个突出特点:一是其中的活动时间性比拟强，要求在一定的时刻或者一定的时间内从外部环境采集信息，按彼此联络存取已获得的信息和处理采集的信息，再及时做出响应;二是它们要处理短暂数据，这种数据只在一定的时间范围内有效，超过一定时限那么就没有意义了。工业通讯网络的实时性有两层含义:一是指根本控制器的实时性，通常每一台控制器要具有一定的实时性，一般来讲，每一台控制器所要承当的任务不止一项，但每项任务对实时性都有一定要求，且可能会各不一样，每项任务对实时性的要求将由配置在根本控制器中的实时多任务治理程序来承当;二是指通讯网络的实时性，工业通讯网络中具有通讯功能的根本单元通过通讯网络联络在一起，这些单元称为站，当某个站向通讯网络恳求通讯时，它对响应时间是有要求的，不同的站对实时性要求可能不同，同一站中的不同通讯任务对实时性的要求也可能不同。实时性是工业通讯网络不同于普通LAN的最大特点，一般在工业控制网络中信息响应时间要求为0.010.5S，而普通LAN中信息的响应时间为26S，即工业控制网络的实时性要求比普通LAN高得多，有的工业控制网络对实时性的要求比普通LAN高几百倍，这只有靠牺牲局部信道利用率来保证。显然，假设将普通LAN加以时间约束，使之知足工业通讯网络的实时性要求，那么它就可以应用于工业控制系统，作为工业控制系统的通讯网络。一般来讲，工业通讯网络的实时性主要与以下几个方面有关:网络本身的硬件性能：包括网络的拓扑构造、通讯媒体、网络接口的传送速率等。通讯媒体的传输速率越高、网络接口的传送速率越快，网络的实时性就越高。网络的通讯协议：包括媒体的访问控制方式、网络通讯协议的层次构造、传输的可靠性、有无连接控制等等。层次构造越简单，系统的实时性就越高。而可靠性与实时性是互相矛盾的，对于无连接、无应答的通讯方式要比有连接、有应答的通讯方式的实时性要高，但可靠性差。例如通讯协议是PROFIBUS-DP现场总线协议，PROFIBUS-DP采用主从方式和低层的令牌环传递相结合的形式进展通道分配，整个网络可以将总线系统分割成线段分步建立，段间用中继器来连接，每个段可以有32个网络站，整个网络可以到达126个网站，由于最大传输速率可到达12Mbps，以及其第2层采用SRD发送并要求回送功能，使得输入和输出数据可在一个周期内完成，所以传输速度有了很大的进步，总线周期可尽量减少。网络的信息量：也称为网络的负载，是指网络在一定时间内需要传送信息的多少。网络传送信息量越少，其实时性就越高。实时性与通讯子网的信道利用率是互相矛盾的:在工业控制网络中，为了进步系统的实时性，不得不牺牲一局部信道利用率。另外，工业通讯网络在时间域上具有以下一些特点，进而区分于其他系统：时限：工业通讯网络中执行的任务一般具有时限要求，规定在特定时间内完成特定的功能而不能超过这个时间。实时控制：工业通讯网络中经常包括实时控制，接收输入数据并做出控制决策。反响系统：一般工业通讯网络中都是反响的系统，也就是讲，由事件驱动并且必须对外界事件进展响应.并发处理：绝大多数工业通讯网络的一个重要特点是并发处理，通常，事件发生的顺序是不可预测的。与外部环境交互：工业通讯网络通常需要与外部环境进展交互。3.实时对象模型当研究工业通讯网络的实时性时，需要考虑时间域上的问题，因此给出实时对象的定义。定义1：实时对象可用如下的四元组表示式1-1其中orealtime为Real-timeObject，表示具有实时性要求的对象;II为InputInterface，表示输入接口;0I为OutputInterface，表示输出接口;P为InnerProcess，表示对象内部处理;t为Time，表示对象在时间上的要求。有了实时对象模型，工业通讯网络的实时性主要表达在实时对象之间的交互上，也就是对实时对象中时间要求t的知足。这里所要讨论的工业通讯网络的实时性就是要寻求可行的解决方案，使得trt,其中t表示某个实时对象的时间要求。在工业通讯网络中，同步和数据交换一般要经过消息传递，实时通讯为保证实时任务的按时完成起着关键作用，它最重要的性质是需要确定有界的消息传递延迟，不可预测的消息延迟可能会使介入实时通讯的任务违背时限要求。消息传递延迟是指发送节点通讯对象开场发送消息到接收节点通讯对象完全收到消息之间的时间间隔，主要包括以下几个局部:消息在各节点通讯对象内的等待延迟:报文在每个通讯对象上被阻塞的时间量是由于多条通道的报文同时到达一个通讯对象所致。报文发送延迟:节点对象发送一个报文所需时间，它依靠于报文大小和发送率，一般为常数。链路上的传播延迟:一个数据位在链路上的传播时间。其中，发送延迟和链路上的传播延迟分别由网络带宽和信号传播速度决定，而节点通讯对象的消息排队等待延迟由系统的软件构造所决定。4.工业通讯网络中的通讯分类工业通讯网络是一个复杂的综合性系统，在网络控制系统中需要传输的数据既包括实时数据，又包括非实时数据:实时数据:如各种检测器和控制器的I/O口的实时数据，信号、控制器之间的互锁信号、局部系统状态监视数据等。实时数据对时间要求苛刻，一般不允许有秒级的延迟，在某些特殊情况下甚至不允许有毫秒级的延迟。另一方面，对大多数实时数据而言，只有最新数据是有意义的，假如在某一时间段内，某一数据由于某种原因未能作用，而此时下一个数据已经产生，那么该数据将被丢弃，而启用最新数据，因此实时数据一般不要求重发。非实时数据:如用户编程数据、组态数据、局部系统状态监视数据等。非实时数据对时间要求不很苛刻，允许有相对较长的延迟，但这种数据的数据量相对较大，对带宽的占用率较高，对绝大多数非实时数据而言，传送的数据都是有意义的，一般不允许丧失，需要过失控制和重发机制保证数据的完好和准确。从时域的角度看，工业通讯网络中实时数据和非实时数据的传输可以概括为三种类型的通讯:周期性通讯、随机性通讯和突发性通讯。周期性通讯:如传感器周期性地传送采样数据，控制器周期性地传送控制信号。随机性通讯:如客户端向效劳器端恳求效劳等。突发性通讯:如报表信息等。5.周期性实时消息模型由于工业通讯网络中的通讯绝大局部属于周期性通讯，我们着重看一下周期性实时通讯。定义:周期性通讯中的消息流可以用如下周期性实时消息模型表示:CM=L,C,S,D;式1-2式中，CMCyclicMessage为周期性消息;LLength为周期性消息流长度，表示消息流的传输时间，包括网络协议规定的信息域、校验域和前导符等消息帧全部内容;CCycle为通讯周期，也即消息产生周期;SStartTime为发出通讯恳求的时刻，即消息产生的时刻，DDeadline为消息时限，即消息从产生至到达目的节点所能允许的最大延迟时间。周期性消息流k表示为:CMK=Lk,Cx,Sk,Dk;式1-3从周期性实时消息的定义可以得出，周期性通讯实时性的知足由如下条件决定:tp-SD,tp为消息传送经过中的某一时刻，该条件讲明消息从产生到最终到达目的节点不会超过其时限。TmaxC,Tmax为进展周期性通讯的节点获得总线控制权的最大时间间隔。tRL,tR为一次总线控制时间，该条件讲明节点在获得总线控制权后应有充分的时间发送完所有的周期性消息。对于周期性通讯，要保证所有消息流的实时性，而不是某一个消息流的实时性，因此，要考虑通讯中的最坏情况;另一方面，在保证实时性的前提下，还要考虑系统的综合效率，即公道利用通讯信道，保证信道利用率的平稳。6.完毕语通过上面的分析，使大家对网络的实时性问题有了更加全面和深入的理解，有利于我们在设计工业通讯网络时，更好的知足实时性的要求，进步工业控制系统的响应速度。7.参考文献1.（用于自动控制系统的工业通讯网络）唐济扬，200012.（信息网络系统集成技术）胡道元，清华大学出版社,19963.（集散控制系统实时网络通讯设计）秦肖榛，计算机工程与应用1997.5作者简介：董杰1979-男，学历-山东大学硕士研究生，职称-讲师，如今山东省青年治理干部学院从事计算机控制系统方面的教学和科研工作，有丰富的工程理论经历。