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

　　1 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能評價(jià)沒(méi)有統一的標準

　　某種報文的實(shí)時(shí)性得到滿(mǎn)足是指其報文響應時(shí)間小于規定的時(shí)限，某個(gè)節點(diǎn)的實(shí)時(shí)性合乎要求是指該節點(diǎn)發(fā)出的所有報文在指定的時(shí)限內都能獲得響應。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)節點(diǎn)的每一種報文的實(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(mǎn)足下列三個(gè)時(shí)間約束條件:

　　1)每個(gè)節點(diǎn)獲得通信權的時(shí)間必須有上限值限制。若超過(guò)此值，無(wú)論本次通信任務(wù)是否完成，均應立即釋放通信權。這一時(shí)間約束條件可以防止某一節點(diǎn)長(cháng)時(shí)間占用總線(xiàn)而導致其它各節點(diǎn)實(shí)時(shí)性惡化。

　　2)應當保證在某一固定的時(shí)間周期內，網(wǎng)絡(luò )上的每一個(gè)節點(diǎn)都有機會(huì )取得通信權，以防個(gè)別節點(diǎn)因長(cháng)時(shí)間得不到通信權而使其實(shí)時(shí)性太差甚至喪失實(shí)時(shí)性。只要有一個(gè)節點(diǎn)出現這種情況，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(cháng)短是控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性好壞的一個(gè)衡量標準。

　　3)對于緊急任務(wù)，當其實(shí)時(shí)性要求臨時(shí)變得很高時(shí)，應當給以?xún)?yōu)先服務(wù)。對于實(shí)時(shí)性要求比較高的節點(diǎn)，也應當使它取得通信權的機會(huì )比其它節點(diǎn)多一些。因此采用靜態(tài)(固定)的方式賦予某些節點(diǎn)較高的優(yōu)先權，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，則將使緊急任務(wù)及重要節點(diǎn)的實(shí)時(shí)性得到滿(mǎn)足。

　　如果簡(jiǎn)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(fǎng)問(wèn)控制方式，會(huì )發(fā)現有些存取控制方法一條約束條件也不滿(mǎn)足，如Lonwork現場(chǎng)總線(xiàn)的CSMA/CD方式。而按照這一原則，似乎只有令牌協(xié)議能夠滿(mǎn)足實(shí)際要求。但是在實(shí)際系統應用中，其他的訪(fǎng)問(wèn)控制方式一樣在實(shí)時(shí)性極強的系統中采用，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(xiàn)協(xié)議是高級轎車(chē)內部控制電路的標準協(xié)議規范。造成這種既成事實(shí)的原因很多，一方面隨著(zhù)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(guò)調整網(wǎng)絡(luò )配置和負載，進(jìn)行整體優(yōu)化，達到實(shí)時(shí)性要求。

　　因此目前不會(huì )出現具體通用的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)服務(wù)判定標準，需要針對實(shí)際應用和出現的新技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性能評價(jià)。

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

　　工業(yè)以太網(wǎng)可以分為兩大類(lèi)：用于過(guò)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(guò)對比用于過(guò)程控制和運動(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(lái)具體反映兩者在實(shí)時(shí)性能評價(jià)方面的異同。

　　兩者的共同之處：網(wǎng)絡(luò )響應時(shí)間具有統一的模型，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)系統的實(shí)時(shí)性能是由網(wǎng)絡(luò )響應時(shí)間反映的，影響網(wǎng)絡(luò )響應時(shí)間的因素主要來(lái)自三個(gè)部分:本地系統，即源節點(diǎn)的處理;工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，即傳輸部分;目的節點(diǎn)系統，即目的節點(diǎn)的處理。

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

　　源節點(diǎn)的時(shí)間延遲包括預處理時(shí)間Tpre，它是計算時(shí)間Tscomp和編碼時(shí)間Tscode的總和;等待時(shí)間Twait的一部分，它是節點(diǎn)內部排隊時(shí)間(node queue)Tn-queue，取決于源節點(diǎn)需傳送數據的總和與網(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、數據傳送率和網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)的長(cháng)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;

　　目的節點(diǎn)的時(shí)間延遲Tpost是數據的后期處理時(shí)間，它是目的節點(diǎn)解碼時(shí)間Tdcode和目的節點(diǎn)計算時(shí)間Tdcomp的總和。

　　圖1 工業(yè)以太網(wǎng)響應時(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(guò)程控制的工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)類(lèi)型如圖2中的左側圖所示。

　　它的實(shí)時(shí)要求可以稱(chēng)之為確定性的通信要求。需要多長(cháng)時(shí)間來(lái)傳送該數據報文以及響應數據的生產(chǎn)都是有時(shí)間確定性的。在工業(yè)控制系統中，通信網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間確定性是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送的數據必須在預先確定的時(shí)間內從源傳送到目的地。也就是在截止期之內數據報文到達接收者。

　　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

　　用于運動(dòng)控制，精密制造的工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)類(lèi)型如圖2中的右側圖所示。

　　延遲和同步是這種類(lèi)型實(shí)時(shí)數據通信的決定性因素。這種類(lèi)型實(shí)時(shí)數據通信具有一個(gè)精確的可預測的定時(shí)，也就是什么時(shí)候數據報文到達接收者，生成響應數據和需要多長(cháng)時(shí)間來(lái)傳送該數據報文，都是規定好的。同步?jīng)Q定了分布式系統能辨識的定時(shí)事件的準確度，通常是指所有部件同時(shí)執行一個(gè)重復出現的動(dòng)作。同步偏差可以是常量，也可以是變量，后者一般稱(chēng)為抖動(dòng)(Jitter)，常量偏差不是關(guān)鍵且很容易被補償，但抖動(dòng)不可能被補償，這個(gè)量的大小對一些控制，如運動(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(wú)軸印刷機為例：設印刷速度為25m/s， 也就是說(shuō)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(mǎn)足要求。

　　在位置控制、電子齒輪、多軸聯(lián)動(dòng)的高精度運動(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，伺服系統如果以400μs的周期進(jìn)行位置控制，各軸之間的信息交換當然也是以400μs周期為最佳，以達到軸間的最可能精確的同步。但是在相對緩慢的過(guò)程中(比如化工中的熱化)，每 400μs 刷新一次通信數據就沒(méi)有什么必要。對于有較強實(shí)時(shí)要求的過(guò)程控制系統實(shí)時(shí)通信的響應時(shí)間應在5～10ms的范圍內，為此通常要求從某一節點(diǎn)到另一節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間延遲要小于2～4ms。對于一般實(shí)時(shí)控制要求的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間延遲可以更大。

　　3 結語(yǔ)

　　從以上分析可知，用于離散控制尤其是運動(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(wú)法滿(mǎn)足運動(dòng)控制等苛刻的抖動(dòng)精度要求，而用于過(guò)程控制的工業(yè)以太網(wǎng)并不需要對抖動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)要求沒(méi)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)行應用研究。