工业无线控制网络中的实时性问题研究

2015-09-11李侃

科技视界 2015年26期

李侃

（兰州市兰石能源装备工程研究院，甘肃兰州 730014）

1 工业控制网络的简介

工业控制网络是计算机网络、通讯及其自动控制技术之间相互结合，不断形成的产物，是自动控制领域的一种网络技术。工程控制网络技术在不断发展，它能传输设备之间的实时数据，满足一个区域内所有用户共享资源和协调操作的需求[1]。

由于无线网络的传输速度加快以及工业领域无线网络产品的出现，在工业控制系统中运用无线网络的机会在不断增加，应用无线网络有很多优点，可以使网络控制系统扩展到光缆或者电缆不便于铺设的特别环境中，而且还可以运用到控制网络的节点有移动的环境中，在实际的操作中无线网络还可以补充和备份有线网络。

2 工业控制网络的特点

2.1 实时性

实时性是整个工程控制系统中的重要指标，实时所表现出的就是当某件事情发生后，系统一定时间内可以明确的作出反应。

获取网络资源的困难有：很难预测到需要网络资源的节点；很难控制节点需要网络资源的时间；很难预测到节点是否需要节点等。这些因素无疑给传输的实时性带来了一定的难度。

工业控制主要运用在工业现场，主要传输现场数据，是一种通讯网络。在工业现场，环境复杂多变，工业设备仪器种类丰富，工业运转过程中所产生的数据类型及涉及的运算程度复杂，实现工业控制有一定的难度。以下我们对工业现场需要传输的数据进行分类：

1）实时数据和非实时数据

实时数据对时间的要求高，必须把时间精确到毫秒，不容许有按秒计算的延误。而且要保证数据及时更新，在一定的时间内某一数据没有发挥出其价值，该数据就没有使用的意义了，就需要重新产生需要的数据，没有重发的要求的。实时数据占用很少部分的带宽，数据量也不是很多。具体的实时数据有各种检测器的信号、一部分系统监视数据的状态。

非实时数据没有实时数据对时间的要求严格，可以接受一定程度的数据延误，但是非实时数据的数据量比较大，也在带宽上占用较多，对非实时数据要求保存，不允许丢失。具体的非实时数据有用户的编程数据、组态数据等。

2）周期性数据、突发性数据和随机性数据

工业环境中周期性数据存在很多，一般情况下都是相对固定的信息传递，在时间上也是可以预测的，传送的数据是实时数据，有一定的优先级，占用一定的带宽，但数据的通信量不多。具体的周期性数据有通过传感器采集的现场数据、通过控制器传送的控制信号等[2]。

突发性数据发生的时间是难以预测的，它所传送的数据为实时数据，有一定的优先级，但是数据的通信量不大。具体的突发性数据有报警信息、事件的通知等。

随机性数据发生的时间也是不可预测的，但是它传送的是非实时数据且优先级低，数据的通讯量是相当大的。具体的随机性数据有数据库的管理、程序的下载上传等。

2.2 优先级

无线网络上的节点并不是公平的争取网络资源，网络资源总是先应用在更需要的的节点上，无形中就会产生优先级。因为网络资源并不是无线的，通过优先级可以保证信息的有序传送，从而实现信息的实时性。

2.3 可靠性

传送的信息必须保证其可靠性，而在工业现场由于环境复杂，机器设备噪声会产生一定的干扰，对网络信息的可靠很难保证，这就需要相应的措施来避免信息传送的错误，保障整体系统的运作。

3 常见工业控制网络的实时性分析

3.1 现场总线

现场总线是应用在工业生产现场的，它可以实现在微机化测量控制设备间的双向串行多节点的数字通讯系统，能保证不同节点之间的通讯和协调，并且能完成实时控制信息和非实时控制信息的通信。现场总线系统就是把网络中的节点连接起来，使其之间可以进行沟通、通信，从而完成整个网络控制系统的任务。

3.2 工业以太网

以太网相比于现场总线，所提供的基本框架式是开放式的，能实现更全面的信息集成，全面到管理层和各个现场控制层。之后随着互联网技术的不断发展，在以太网领域也引入了很多新的技术，对以太网的实时性有很大的提高。

3.3 工业控制网络的实时性

实时性实质就是约束传输的信息对系统的反应时间，要保证系统的正确性必须从两方面入手,一方面要保证系统处理信息的结果正确，另一方面要控制系统产生结果的时间，只有这两方面都有保障才能使得系统是实时系统。系统必须对输入的信息在规定时间内做出反应，即使反应的结果显示正确，如果时间上没有控制好，还是认定为系统操作失败。总之，实时应用对时间的要求高，在规定的时间内处理收集到的信息，并及时作出反应，这种数据只在限定的时间内有意义，所以要控制好时间范围。

在工业控制网络中，实时性具体上要保证信号的输入、运算及输出都控制严格的时间，并结合工业生产的实际情况及时做出相应的处理。避免时间处理不当导致的严重后果。网络延迟时间可以用来描述系统的实时性，也是测试整个控制网络的实时性指标。

3.4 现场总线的介质访问控制分析

在工业企业实际的生产中，必须保证整个控制网络的实时性和可靠性，为了提高控制网路的实时性和可靠性，可以采用介质访问控制的方式，其中现场总线的MAC层存在很大的决定因素，也设置了信道使用权的分配方式[3]。

我们都知道现场总线网络只有一条通信通道，网络上的节点共享这条通道，如何使用这仅有的通道成为重要的问题。以下主要分析一种现场总线的介质访问控制方法。

LonWorks适应总线型、星型、环形及混合型等拓扑结构，也适应双绞线、电力线、无线电波、红外线等传输介质，而收发器和介质的选择依据现场的实际情况。LonWorks利用的是“先听后发，边听边发，冲突停止，延时重发”的方式，它的MAC层是以CSMA/CD为基础的，这种方式的算法简单，可靠性也能有所提高，且能保证低中负荷的实时性。

在使用LonWorks总线时，首先要检查在一定周期内内检测通道是不是处于空闲的网络状态，要知道节点的发送是必须占用一定的通道的。其次增加一定的优先级时间片，保证一定优先等级，因为优先级高的情况下所加的时间片就会少。接着根据网络积压参数产生的随机等待时间片，在实践延长结束的情况下，网络还保持空闲，节点就要以同样的概率发送报文。如果节点在检测的时候有信息发送，在接受到信息之后再进行MAC的算法操作。这种方式能使介质访问在负载轻的情况下得到最小化的延迟，可以减少一定的冲突，但是不能消除冲突。