网络控制系统若干通信网络实时特性分析

刘 欣

（民航东北地区空中交通管理局通信网络中心，辽宁 沈阳110023）

0 引 言

网络控制系统又称为控制网络，是控制技术、通信技术、计算机技术融合和发展的产物，它被广泛运用于带有控制器分布设备且需要进行数据交换的场合。网络控制系统是最先进的工业控制系统，将会成为未来工业系统的中坚力量。实现服务器、客户端、现场生产设备的动态交互，从而使现场数据与远程监控实时交互是控制系统的核心问题之一。在应用环境的要求下，网络控制系统应传输实时数据和非实时数据，以实现快速成响应。最大限度地控制实时数据传输延迟，保证非实时数据的快速和可靠对控制系统具有重要的意义。实时性问题在工业控制领域十分重要，本文就实时性的概念及其对网络控制系统的影响进行深入分析。

1 通信网络实时性的概念

1.1 通信网络实时性的定义

通信网络的实时性是指数据和信号的处理要在一定的时间内完成［1］。在控制系统中，实时性并不是只强调迅速，而是指产生数据和事件，在规定的时间内及时地对数据或事件进行处理，并将所得结果发送至目的地。无论网络的传送速度如何，在规定时间内对事件和数据产生响应动作的系统被称为具有实时性的控制系统［2］。通信网络中的实时性是指网络中传输数据的时间是可以预测的、是确定的、具有时限的。总而言之，实时性就是约束系统对输入信息做出响应的时间。判断系统是否是实时系统的主要标准是该系统能否在规定的时间范围内得到处理信息的正确结果。在信息或数据输入系统后，系统要在规定的时间内做出反应，如果超过了时间限制但是反应结果正确，这个系统则被认定为失败系统。实时应用的要求有两个突出特点：第一，活动时间性较强，在一定的时间内收集信息并及时处理；第二，要及时处理短暂数据，这种数据不能超过时限，否则就没有任何意义。

网络控制系统的实时性包括两层含义；第一，基本控制器的实时性，即每一台控制器的每项任务都有一定的时间要求。第二，通信网络的实时性，通信网络的高新技术使得控制系统可以将具有通信功能的站点联系在一起，每个站点在请求通信时对响应时间都有一定的要求，不同站点对实时性的要求也不同，同一站点在执行不同的通信任务时对实时性的要求也不同，时间的长短是根据实际需要来定的［3］。

1.2 通信网络实时性的条件

实现通信网络的实时性要求具备以下几个条件：第一，网络自身的硬件性能。通信媒体、网络接口的传送速率和拓扑结构等方面的性能都是网络硬件性能的重要组成部分，提高网络接口的传送速率和通信媒体的传输速率就能增强通信网络的实时性。第二，网络的通信协议。传输的可靠性、层次结构、媒体的访问控制方式、有无连接控制等方面是网络通信协议的组成部分。通信网络层次结构越简单，控制系统的实时性就越高［4］。网络的实时性与可靠性是矛盾的，无链接、无应答的通信方式比有应答、有连接的通信方式的实时性要高，但可靠性低。第三，网络信道的利用率。通信子网的信道利用率跟通信网络的实时性是矛盾的，有时候在工业控制网络中，只有牺牲一部分的信道利用率才能提高系统的实时性。第四，网络的信息量。网络在某一特定时间内需要传输信息的多少就是网络信息量，同时也被称为网络的负载，它与实时性也是成反比关系的，传输信息量越少，网络的实时性就越高。

2 网络控制系统中通信网络实时特性的研究现状

2.1 现场总线的实时特征

现场总线是实时通信网络的典型，从实时通信能力的角度来说，现场总线的类型不同，其研究的侧重点也不同。对于Ethernet和CAN这两个现场总线的研究主要是集中在减小通信延迟的不确定性上。对于FF和WorldFIP，其研究侧重于区分非周期和周期信息，并集中调度分别管理周期信息和非周期信息，所以将非周期信息的响应模式和周期信息的调度算法纳入其重点研究范围。P－NET和PROFIBUS的研究主要集中在设定运行周期和精确信息响应模型上。

2.2 以太网的实时特性

以太网的媒体访问机制在一定程度上会造成链路独占效应，使通信不确定或延时，这是实时应用环境中以太网在控制现场设备层方面的主要缺陷。所以，为了改进以太网的通信实时性，国内外学者提出了各种方法，其中具有代表性的有以下两种：

一是硬实时方法。为了达到实时通信的效果，可以改进硬件的电路，限制站点访问网络的速率和时间，从而减少网络排队延迟和碰撞的现象。提高节点的硬件成本是这个方法的最主要的弊端，因此不大适合大范围的推广。

二是软实时的改进方法。对网络的媒体访问机制进行软件调度策略上的改进，即在节点成本不变的情况下提高以太网的通信实时性。通常把软实时改进方法分为两种，冲突避免和冲突解决。冲突避免是给每个节点实现一定的带宽分配，让其只能在分配的固定时间内发送信息到网络上，这样可以给每个节点的信息确定并保证发送时间。另外，采用虚拟令牌也可以在一定程度上避免冲突。解决冲突则需要对二进制指数后退算法进行改进，这样可以有效地减少报文的延迟，大大提高以太网的实时性［5］。

2.3 无线控制网络的实时性

对于无线控制网络的实时性，国内外专家学者进行了广泛的讨论和深入的研究。这些研究在协议的设计上对工业控制网络信号传输的特点缺乏考虑，因此在不同程度上出现了管理复杂、效率不高等缺点。我国学者提出制定不同的介质访问法要依据网络控制中传输信号的优先级和类型来定，即无线实时介质访问控制法。这个方法既保证了数据传输的实用性又兼顾了数据传输的高效率［6］。

3 结束语

网络控制系统是网络技术在工业控制领域的应用和延伸。网络控制系统比传统的控制系统更有优势：安装维护简单、可靠性高、总体价格降低、网络管理灵活等。由于信号传输的工具是总线，因此网络延时是无法避免的。工业反馈控制系统对于网络实时性的要求很高，网络延时过长对于工业控制系统的性能有很大的影响，严重情况下会破坏控制系统的稳定性。通信网络的实时性是网络控制系统的灵魂，只有有效地控制和解决网络延时问题，才能确保网络的实时性，确保工业控制系统高效有序的运行。

［1］顾洪军，张 佐，吴秋峰.网络控制系统的实时特性分析及数据传输技术［J］.计算机工程与应用.2001，37（06）：38－43.

［2］关守平，孙兰香.长延时网络控制系统的建模与控制［J］.控制与决策，2006，21（3）：311－314.

［3］杨丽曼，李运华，袁海斌.网络控制系统的时延分析及数据传输技术研究［J］.控制与决策，2004，21（1）：68－72.

［4］李炳宇，萧蕴诗.以太网在网络控制系统中的应用与发展趋势［J］.微型机与应用，2002，（11）：34－38.

［5］李 明，马灿明，吴石书，王 建，漆海霞.网络控制系统的通信机制分析［J］.电力自动化设备.2006，（01）：29－31.

［6］胡道元 编著.计算机局域网［M］.北京：清华大学出版社，1996.