各種不同工業(yè)以太網(wǎng)實時性能評價的分析

　　1 工業(yè)以太網(wǎng)實時性能評價沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)

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

　　1）每個節(jié)點獲得通信權(quán)的時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)。這一時間約束條件可以防止某一節(jié)點長時間占用總線而導(dǎo)致其它各節(jié)點實時性惡化。

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

　　3）對于緊急任務(wù)，當(dāng)其實時性要求臨時變得很高時，應(yīng)當(dāng)給以優(yōu)先服務(wù)。對于實時性要求比較高的節(jié)點，也應(yīng)當(dāng)使它取得通信權(quán)的機(jī)會比其它節(jié)點多一些。因此采用靜態(tài)（固定）的方式賦予某些節(jié)點較高的優(yōu)先權(quán)，采用動態(tài)（臨時）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)點的實時性得到滿足。

　　如果簡單的用這三條時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)議能夠滿足實際要求。但是在實際系統(tǒng)應(yīng)用中，其他的訪問控制方式一樣在實時性極強的系統(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時性。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)到實時性要求。

　　因此目前不會出現(xiàn)具體通用的工業(yè)以太網(wǎng)實時服務(wù)判定標(biāo)準(zhǔn)，需要針對實際應(yīng)用和出現(xiàn)的新技術(shù)進(jìn)行實時性能評價。

　　2 不同工業(yè)以太網(wǎng)實時性能評價的異同

　　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。以下通過對比用于過程控制和運動控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)實時要求及特點來具體反映兩者在實時性能評價方面的異同。

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

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

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

　　網(wǎng)絡(luò)時間延遲包括：傳送時間Ttx，它是幀發(fā)送時間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;還有就是等待時間Twait的另外一部分，網(wǎng)絡(luò)阻塞時間Tblock;

　　目的節(jié)點的時間延遲Tpost是數(shù)據(jù)的后期處理時間，它是目的節(jié)點解碼時間Tdcode和目的節(jié)點計算時間Tdcomp的總和。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)響應(yīng)時間的示意圖

　　所以總的時間延遲可表示為：

　　同時在圖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)的實時類型如圖2中的左側(cè)圖所示。

　　它的實時要求可以稱之為確定性的通信要求。需要多長時間來傳送該數(shù)據(jù)報文以及響應(yīng)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)都是有時間確定性的。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的時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)實時要求不同

　　用于運動控制，精密制造的工業(yè)以太網(wǎng)的實時類型如圖2中的右側(cè)圖所示。

　　延遲和同步是這種類型實時數(shù)據(jù)通信的決定性因素。這種類型實時數(shù)據(jù)通信具有一個精確的可預(yù)測的定時，也就是什么時候數(shù)據(jù)報文到達(dá)接收者，生成響應(yīng)數(shù)據(jù)和需要多長時間來傳送該數(shù)據(jù)報文，都是規(guī)定好的。同步?jīng)Q定了分布式系統(tǒng)能辨識的定時事件的準(zhǔn)確度，通常是指所有部件同時執(zhí)行一個重復(fù)出現(xiàn)的動作。同步偏差可以是常量，也可以是變量，后者一般稱為抖動（Jitter），常量偏差不是關(guān)鍵且很容易被補償，但抖動不可能被補償，這個量的大小對一些控制，如運動控制或一些高精度的閉環(huán)控制是非常關(guān)鍵的。以一個無軸印刷機(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，就會有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)動的高精度運動控制中，刷新時間往往是越短越好，時間越短，控制精度越高，能完成的動態(tài)性能也更高。多軸聯(lián)動中，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。對于有較強實時要求的過程控制系統(tǒng)實時通信的響應(yīng)時間應(yīng)在5～10ms的范圍內(nèi)，為此通常要求從某一節(jié)點到另一節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)時間延遲要小于2～4ms。對于一般實時控制要求的網(wǎng)絡(luò)時間延遲可以更大。

　　3 結(jié)語

　　從以上分析可知，用于離散控制尤其是運動控制，精密制造等領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)實時性要求苛刻，除了延遲的控制，還要對抖動進(jìn)行控制是其主要難點。目前基于商用可得（COTS）技術(shù)的組件無法滿足運動控制等苛刻的抖動精度要求，而用于過程控制的工業(yè)以太網(wǎng)并不需要對抖動進(jìn)行控制，實時要求沒有用于離散控制工業(yè)以太網(wǎng)的苛刻，同時商用網(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。