工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)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(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的簡介

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通訊及其自動(dòng)控制技術(shù)之間相互結(jié)合，不斷形成的產(chǎn)物，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工程控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不斷發(fā)展，它能傳輸設(shè)備之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，滿足一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有用戶共享資源和協(xié)調(diào)操作的需求[1]。

由于無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度加快以及工業(yè)領(lǐng)域無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的出現(xiàn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)在不斷增加，應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點(diǎn)，可以使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)擴(kuò)展到光纜或者電纜不便于鋪設(shè)的特別環(huán)境中，而且還可以運(yùn)用到控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)有移動(dòng)的環(huán)境中，在實(shí)際的操作中無線網(wǎng)絡(luò)還可以補(bǔ)充和備份有線網(wǎng)絡(luò)。

2 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

2.1 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是整個(gè)工程控制系統(tǒng)中的重要指標(biāo)，實(shí)時(shí)所表現(xiàn)出的就是當(dāng)某件事情發(fā)生后，系統(tǒng)一定時(shí)間內(nèi)可以明確的作出反應(yīng)。

獲取網(wǎng)絡(luò)資源的困難有：很難預(yù)測到需要網(wǎng)絡(luò)資源的節(jié)點(diǎn)；很難控制節(jié)點(diǎn)需要網(wǎng)絡(luò)資源的時(shí)間；很難預(yù)測到節(jié)點(diǎn)是否需要節(jié)點(diǎn)等。這些因素?zé)o疑給傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性帶來了一定的難度。

工業(yè)控制主要運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場，主要傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，是一種通訊網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境復(fù)雜多變，工業(yè)設(shè)備儀器種類豐富，工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型及涉及的運(yùn)算程度復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制有一定的難度。以下我們對工業(yè)現(xiàn)場需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類：

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對時(shí)間的要求高，必須把時(shí)間精確到毫秒，不容許有按秒計(jì)算的延誤。而且要保證數(shù)據(jù)及時(shí)更新，在一定的時(shí)間內(nèi)某一數(shù)據(jù)沒有發(fā)揮出其價(jià)值，該數(shù)據(jù)就沒有使用的意義了，就需要重新產(chǎn)生需要的數(shù)據(jù)，沒有重發(fā)的要求的。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占用很少部分的帶寬，數(shù)據(jù)量也不是很多。具體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有各種檢測器的信號(hào)、一部分系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對時(shí)間的要求嚴(yán)格，可以接受一定程度的數(shù)據(jù)延誤，但是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比較大，也在帶寬上占用較多，對非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要求保存，不允許丟失。具體的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有用戶的編程數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)等。

2）周期性數(shù)據(jù)、突發(fā)性數(shù)據(jù)和隨機(jī)性數(shù)據(jù)

工業(yè)環(huán)境中周期性數(shù)據(jù)存在很多，一般情況下都是相對固定的信息傳遞，在時(shí)間上也是可以預(yù)測的，傳送的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有一定的優(yōu)先級(jí)，占用一定的帶寬，但數(shù)據(jù)的通信量不多。具體的周期性數(shù)據(jù)有通過傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、通過控制器傳送的控制信號(hào)等[2]。

突發(fā)性數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間是難以預(yù)測的，它所傳送的數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有一定的優(yōu)先級(jí)，但是數(shù)據(jù)的通信量不大。具體的突發(fā)性數(shù)據(jù)有報(bào)警信息、事件的通知等。

隨機(jī)性數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間也是不可預(yù)測的，但是它傳送的是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)且優(yōu)先級(jí)低，數(shù)據(jù)的通訊量是相當(dāng)大的。具體的隨機(jī)性數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)庫的管理、程序的下載上傳等。

2.2 優(yōu)先級(jí)

無線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)并不是公平的爭取網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)資源總是先應(yīng)用在更需要的的節(jié)點(diǎn)上，無形中就會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)資源并不是無線的，通過優(yōu)先級(jí)可以保證信息的有序傳送，從而實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)性。

2.3 可靠性

傳送的信息必須保證其可靠性，而在工業(yè)現(xiàn)場由于環(huán)境復(fù)雜，機(jī)器設(shè)備噪聲會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，對網(wǎng)絡(luò)信息的可靠很難保證，這就需要相應(yīng)的措施來避免信息傳送的錯(cuò)誤，保障整體系統(tǒng)的運(yùn)作。

3 常見工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性分析

3.1 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的，它可以實(shí)現(xiàn)在微機(jī)化測量控制設(shè)備間的雙向串行多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通訊系統(tǒng)，能保證不同節(jié)點(diǎn)之間的通訊和協(xié)調(diào)，并且能完成實(shí)時(shí)控制信息和非實(shí)時(shí)控制信息的通信?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)就是把網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)連接起來，使其之間可以進(jìn)行溝通、通信，從而完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的任務(wù)。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)相比于現(xiàn)場總線，所提供的基本框架式是開放式的，能實(shí)現(xiàn)更全面的信息集成，全面到管理層和各個(gè)現(xiàn)場控制層。之后隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在以太網(wǎng)領(lǐng)域也引入了很多新的技術(shù)，對以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性有很大的提高。

3.3 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性實(shí)質(zhì)就是約束傳輸?shù)男畔ο到y(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，要保證系統(tǒng)的正確性必須從兩方面入手,一方面要保證系統(tǒng)處理信息的結(jié)果正確，另一方面要控制系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間，只有這兩方面都有保障才能使得系統(tǒng)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)必須對輸入的信息在規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，即使反應(yīng)的結(jié)果顯示正確，如果時(shí)間上沒有控制好，還是認(rèn)定為系統(tǒng)操作失敗?？傊瑢?shí)時(shí)應(yīng)用對時(shí)間的要求高，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)處理收集到的信息，并及時(shí)作出反應(yīng)，這種數(shù)據(jù)只在限定的時(shí)間內(nèi)有意義，所以要控制好時(shí)間范圍。

在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時(shí)性具體上要保證信號(hào)的輸入、運(yùn)算及輸出都控制嚴(yán)格的時(shí)間，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況及時(shí)做出相應(yīng)的處理。避免時(shí)間處理不當(dāng)導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間可以用來描述系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也是測試整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。

3.4 現(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制分析

在工業(yè)企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)中，必須保證整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性，為了提高控制網(wǎng)路的實(shí)時(shí)性和可靠性，可以采用介質(zhì)訪問控制的方式，其中現(xiàn)場總線的MAC層存在很大的決定因素，也設(shè)置了信道使用權(quán)的分配方式[3]。

我們都知道現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)只有一條通信通道，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)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(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制方法。

LonWorks適應(yīng)總線型、星型、環(huán)形及混合型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也適應(yīng)雙絞線、電力線、無線電波、紅外線等傳輸介質(zhì)，而收發(fā)器和介質(zhì)的選擇依據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況。LonWorks利用的是“先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，延時(shí)重發(fā)”的方式，它的MAC層是以CSMA/CD為基礎(chǔ)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(fù)荷的實(shí)時(shí)性。

在使用LonWorks總線時(shí)，首先要檢查在一定周期內(nèi)內(nèi)檢測通道是不是處于空閑的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，要知道節(jié)點(diǎn)的發(fā)送是必須占用一定的通道的。其次增加一定的優(yōu)先級(jí)時(shí)間片，保證一定優(yōu)先等級(jí)，因?yàn)閮?yōu)先級(jí)高的情況下所加的時(shí)間片就會(huì)少。接著根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)等待時(shí)間片，在實(shí)踐延長結(jié)束的情況下，網(wǎng)絡(luò)還保持空閑，節(jié)點(diǎn)就要以同樣的概率發(fā)送報(bào)文。如果節(jié)點(diǎn)在檢測的時(shí)候有信息發(fā)送，在接受到信息之后再進(jìn)行MAC的算法操作。這種方式能使介質(zhì)訪問在負(fù)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(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)資源要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源各個(gè)節(jié)點(diǎn)的共享，就要解決信號(hào)發(fā)送過程中的渠道競爭、信號(hào)沖突等問題，盡可能的避免信號(hào)傳輸形成的等待延時(shí)。為了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，必須保證網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延過長在控制系統(tǒng)的性能上會(huì)產(chǎn)生不利的影響，或者會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)中要特別解決實(shí)時(shí)性的問題。

[1]龔本治.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)路由協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué),2009.

[2]魏旻,王平,王泉.工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)安全方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,04:679-684.

[3]宋興儒.工業(yè)無線/有線網(wǎng)絡(luò)的集成研究與實(shí)現(xiàn)[D].華東理工大學(xué),2013.