工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)的分析

摘  要：首先說明了工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)比用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)要求及特點(diǎn)來具體反映不同工業(yè)以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)方面的異同。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng);實(shí)時(shí)通信;評(píng)價(jià)

1 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)

　　根據(jù)文獻(xiàn)[1]，某種報(bào)文的實(shí)時(shí)性得到滿足是指其報(bào)文響應(yīng)時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)限，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性合乎要求是指該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的所有報(bào)文在指定的時(shí)限內(nèi)都能獲得響應(yīng)。整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性符合要求是指分布在網(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的每一種報(bào)文的實(shí)時(shí)性均得到保證。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性必須滿足下列三個(gè)時(shí)間約束條件:

　　1）每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得通信權(quán)的時(shí)間必須有上限值限制。若超過此值，無論本次通信任務(wù)是否完成，均應(yīng)立即釋放通信權(quán)。這一時(shí)間約束條件可以防止某一節(jié)點(diǎn)長時(shí)間占用總線而導(dǎo)致其它各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性惡化。

　　2）應(yīng)當(dāng)保證在某一固定的時(shí)間周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)取得通信權(quán)，以防個(gè)別節(jié)點(diǎn)因長時(shí)間得不到通信權(quán)而使其實(shí)時(shí)性太差甚至喪失實(shí)時(shí)性。只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)這種情況，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性得不到保證。這一固定時(shí)間周期的長短是控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性好壞的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。

　　3）對(duì)于緊急任務(wù)，當(dāng)其實(shí)時(shí)性要求臨時(shí)變得很高時(shí)，應(yīng)當(dāng)給以優(yōu)先服務(wù)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的節(jié)點(diǎn)，也應(yīng)當(dāng)使它取得通信權(quán)的機(jī)會(huì)比其它節(jié)點(diǎn)多一些。因此采用靜態(tài)（固定）的方式賦予某些節(jié)點(diǎn)較高的優(yōu)先權(quán)，采用動(dòng)態(tài)（臨時(shí)）的方式賦予某些通信任務(wù)以比較高的優(yōu)先權(quán)，則將使緊急任務(wù)及重要節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性得到滿足。

　　如果簡單的用這三條時(shí)間約束條件去衡量目前控制網(wǎng)絡(luò)中常用的訪問控制方式，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些存取控制方法一條約束條件也不滿足，如Lonwork現(xiàn)場(chǎng)總線的CSMA/CD方式。而按照這一原則，似乎只有令牌協(xié)議能夠滿足實(shí)際要求。但是在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，其他的訪問控制方式一樣在實(shí)時(shí)性極強(qiáng)的系統(tǒng)中采用，如波音公司制定的Swiftnet協(xié)議在航空和航天領(lǐng)域廣泛使用，基于CSMA/CA的CAN總線協(xié)議是高級(jí)轎車內(nèi)部控制電路的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范。造成這種既成事實(shí)的原因很多，一方面隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，各種協(xié)議都在努力改進(jìn)協(xié)議性能，采用各種方法提高實(shí)時(shí)性。另一方面，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置和負(fù)載，進(jìn)行整體優(yōu)化，達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。

　　因此目前不會(huì)出現(xiàn)具體通用的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)服務(wù)判定標(biāo)準(zhǔn)，需要針對(duì)實(shí)際應(yīng)用和出現(xiàn)的新技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)。

2 不同工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)的異同

　　工業(yè)以太網(wǎng)可以分為兩大類：用于過程控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)例如HSE以及用于離散控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)例如EPL。以下通過對(duì)比用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)要求及特點(diǎn)來具體反映兩者在實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)方面的異同。

　　兩者的共同之處：網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間具有統(tǒng)一的模型，網(wǎng)絡(luò)中的延遲都是其中重要組成部分。整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能是由網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間反映的，影響網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間的因素主要來自三個(gè)部分:本地系統(tǒng)，即源節(jié)點(diǎn)的處理;工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，即傳輸部分;目的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，即目的節(jié)點(diǎn)的處理。

　　圖1是示意圖，此圖表明了從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息所花的時(shí)間，也就是網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間Tdelay ，總的時(shí)間延遲可分成以下幾個(gè)部分：源節(jié)點(diǎn)的時(shí)間延遲、網(wǎng)絡(luò)通道上時(shí)間延遲和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間延遲。

　　源節(jié)點(diǎn)的時(shí)間延遲包括預(yù)處理時(shí)間Tpre，它是計(jì)算時(shí)間Tscomp和編碼時(shí)間Tscode的總和;等待時(shí)間Twait的一部分，它是節(jié)點(diǎn)內(nèi)部排隊(duì)時(shí)間（node queue）Tn-queue，取決于源節(jié)點(diǎn)需傳送數(shù)據(jù)的總和與網(wǎng)絡(luò)的傳送狀況。

　　網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲包括：傳送時(shí)間Ttx，它是幀發(fā)送時(shí)間Tframe和網(wǎng)絡(luò)的物理傳播遲延 Tprop的總和，取決于信息的大小、數(shù)據(jù)傳送率和網(wǎng)絡(luò)纜線的長度;還有就是等待時(shí)間Twait的另外一部分，網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)間Tblock;

　　目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間延遲Tpost是數(shù)據(jù)的后期處理時(shí)間，它是目的節(jié)點(diǎn)解碼時(shí)間Tdcode和目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算時(shí)間Tdcomp的總和。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間的示意圖

　　所以總的時(shí)間延遲可表示為：

　　同時(shí)在圖1中，清楚的表明了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分所處的位置及其時(shí)間延遲（利用Tethernet表示）：

　　兩者的不同之處：

　　用于過程控制的工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)類型如圖2中的左側(cè)圖所示。

　　它的實(shí)時(shí)要求可以稱之為確定性的通信要求。需要多長時(shí)間來傳送該數(shù)據(jù)報(bào)文以及響應(yīng)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)都是有時(shí)間確定性的。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間確定性是指通過網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)必須在預(yù)先確定的時(shí)間內(nèi)從源傳送到目的地。也就是在截止期之內(nèi)數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)接收者。

圖2 不同控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)要求不同

　　用于運(yùn)動(dòng)控制，精密制造的工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)類型如圖2中的右側(cè)圖所示。

　　延遲和同步是這種類型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的決定性因素。這種類型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信具有一個(gè)精確的可預(yù)測(cè)的定時(shí)，也就是什么時(shí)候數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)接收者，生成響應(yīng)數(shù)據(jù)和需要多長時(shí)間來傳送該數(shù)據(jù)報(bào)文，都是規(guī)定好的。同步?jīng)Q定了分布式系統(tǒng)能辨識(shí)的定時(shí)事件的準(zhǔn)確度，通常是指所有部件同時(shí)執(zhí)行一個(gè)重復(fù)出現(xiàn)的動(dòng)作。同步偏差可以是常量，也可以是變量，后者一般稱為抖動(dòng)（Jitter），常量偏差不是關(guān)鍵且很容易被補(bǔ)償，但抖動(dòng)不可能被補(bǔ)償，這個(gè)量的大小對(duì)一些控制，如運(yùn)動(dòng)控制或一些高精度的閉環(huán)控制是非常關(guān)鍵的。以一個(gè)無軸印刷機(jī)為例：設(shè)印刷速度為25m/s， 也就是說每40µs印刷1mm。軸間通信如果有大于40µs的抖動(dòng)，就會(huì)有1mm以上的偏差，印刷質(zhì)量肯定不能滿足要求。

　　在位置控制、電子齒輪、多軸聯(lián)動(dòng)的高精度運(yùn)動(dòng)控制中，刷新時(shí)間往往是越短越好，時(shí)間越短，控制精度越高，能完成的動(dòng)態(tài)性能也更高。多軸聯(lián)動(dòng)中，伺服系統(tǒng)如果以400µs的周期進(jìn)行位置控制，各軸之間的信息交換當(dāng)然也是以400µs周期為最佳，以達(dá)到軸間的最可能精確的同步。但是在相對(duì)緩慢的過程中（比如化工中的熱化），每 400µs 刷新一次通信數(shù)據(jù)就沒有什么必要。對(duì)于有較強(qiáng)實(shí)時(shí)要求的過程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在5～10ms的范圍內(nèi)，為此通常要求從某一節(jié)點(diǎn)到另一節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲要小于2～4ms。對(duì)于一般實(shí)時(shí)控制要求的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲可以更大。

3 結(jié)語

　　從以上分析可知，用于離散控制尤其是運(yùn)動(dòng)控制，精密制造等領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性要求苛刻，除了延遲的控制，還要對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行控制是其主要難點(diǎn)。目前基于商用可得（COTS）技術(shù)的組件無法滿足運(yùn)動(dòng)控制等苛刻的抖動(dòng)精度要求，而用于過程控制的工業(yè)以太網(wǎng)并不需要對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)要求沒有用于離散控制工業(yè)以太網(wǎng)的苛刻，同時(shí)商用網(wǎng)絡(luò)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，可以考慮采用COTS新技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 鄭文波.控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京: 清華大學(xué)出版社、施普格林出版社，2001.

　　[2] 王福軍，王春平，劉懷. 實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)中信息的分析及優(yōu)化. 微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（1）:37-38