网络控制系统的时延与数据传输技术分析

2022-08-17方林

通信电源技术 2022年8期

方林

（中兴通讯股份有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

网络控制系统的质量直接影响着数据信息的传输质量，但由于网络控制系统中元件众多，加上通信宽带的限制、传感器信号与控制信号的碰撞交互，不可避免地导致信息传输过程中出现延迟现象。为了保证网络控制系统高效运行，减少信息传输延迟，对网络控制系统中的数据传输技术进行详细分析，总结不同信息数据传输技术的特点和相应的网络协议，从而为人们的生活和工作提供便利[1-3]。

1 网络控制系统时延产生原因

在互联网技术的支持下，网络系统可以将传感器、执行器以及控制单元整合在一起，在此基础上构建不同的网络节点，并对各个网络阶段进行统一的连接和控制，通常以人们常用的分布式系统、工业以太网、现场总线系统等形式出现。网络控制系统本身具有较好的灵活性和针对性，可以结合实际情况在不同的环境下创建系统。特别是在当前信息技术不断发展的情况下，各个领域都逐渐实现了信息化创新，可以将网络控制系统应用到工业控制、运动体控制、楼宇自动化控制等方面[4]。

从客观上看，网络控制系统在实践过程中展现出较高的应用价值，目前正朝着集成化、信息化、分布式以及智能化方向发展。基于网络控制系统中信号传输通道、物理信号编码、通信协议处理等的竞争，不可避免地导致控制器、执行器和传感器之间出现延迟，从而造成网络控制系统的延迟。网络延迟容易导致系统运行不稳定，个别环路之间甚至出现耦合现象，使得网络控制系统设计更加复杂。

2 网络控制系统时延的特点

目前，网络控制系统时延最主要的特点是不确定性。在互联网信息传输过程中，网络任务信息是一个设备指令，可以借助网络节点将信息传递给另一个网络节点，从而实现任务信息的传递。网络任务信息传递会经过各层协议，如果信息通过各层协议的过程中出现卡顿，就会导致网络控制系统出现时延[5-7]。利用网络将信息从节点A传给节点B，B方收到信息并给予A方回应，这个过程可能会出现潜在的时延情况，如图1所示。结合实际情况，网络控制系统的时延可以分为4部分，分别是发送处理时延Tsend、等待时延Twait、传输时延Tts以及接收处理时延Trev。

图1 网络控制系统中端到端网络时延示意图

3 网络控制系统中的数据类型

3.1 周期数据

周期数据是网络控制系统中最常见的一种数据信息类型，由系统对一个既定的外界状态进行循环检测生成，例如检测涨跌变化或数据波动变化。基于数据监测的特殊性，周期数据对时间要求较高，同时不同的周期数据需求对时间的要求也不尽相同，有的复杂设备甚至要求时延不超过毫秒。此外，由于周期数据具备一定程度的截止期限，下一个周期数据生成以后，上一个同类型周期数据就失去了意义，因此截停未及时送达的最新数据十分重要[8]。

3.2 猝发数据

猝发数据是一种产生报警信号和紧急操作指令的数据类型，数据长度较短且网络占用量低。由于处理该数据容易引发重大危险事件并产生不可逆的结果，因此对数据处理的时间与准确性要求极高。

3.3 非实数据

非实数据对时间的要求相对较低，并且允许存在一定程度的时延情况。非实数据的特点是数据信息量大、宽带占用率高，通常以文件的形式出现。由于其占用的数据通常是有意义的，不允许丢失，因此需要进行差错控制，引入重发机制，从而保证非实数据的准确性和完整性。

4 网络控制系统中的主要数据传输技术

4.1 CSMA技术

载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）作为一种总线争用技术，对任何节点都没有预约发送时间，在进行数据信息传输时存在随机性。使用CSMA技术进行数据传输，如果一个以上的节点同时向总线发送数据信息，那么就需要竞争。根据CSMA技术的规则，任何想要发送数据的节点需要先监听总线，确保总线空闲后才能发送数据信息。如果出现总线忙碌的情况，则需要等待一段时间后重新发送数据信息。

CSMA技术监听总线并决定是否发送时，可以采用3种退避算法，分别是不坚持算法、坚持算法、P-坚持算法。CSMA技术的实现很简单，可以及时响应猝发数据，如果不考虑周期数据的时间限制，还可以满足截止期限要求。因为CSMA技术随机征用数据信息道路，数据传输的不确定性很大，所以该技术也被认为是不确定的数据传输技术手段。如果要应用于测控领域，则需要与其他技术配合[9]。

4.2 令牌轮询技术

令牌轮询技术是通过独立令牌来进行时间控制的传输技术，主站之间通过逻辑算法对令牌进行控制调度，以保证时效性。令牌轮询技术在运行过程中用独立令牌过渡，在主站之间构成逻辑环，数据信息可以在逻辑环中进行循环传递。借助任务调度的方式来满足周期数据传输需求，由于周期数据传输的实时性存在差异，因此令牌轮询技术信息传输需具备静态事先约定、动态调整的特性。令牌轮询技术自身具备显著优势，可以预测最大网络时延。与此同时，其缺点也比较明显，即不能处理突发性事件。

4.3 集中式令牌技术

集中式令牌技术与令牌轮询技术类似，都是通过令牌来作为时间触发方式的介质。集中式令牌技术在实际应用中主线上有且只有一个节点，这个节点可以对总线进行仲裁，同时根据不同的任务调度需求来展示其他节点，在不同时间发送不同信息。将缓存在存储系统的指定数据信息传输到总线后，个别节点便可以接收信息，只有收到指令之后才有控制权力来执行下一步操作。考虑到周期数据传输的数据要求与工作特点，一般可以使用相应的实时调度算法，并在节点中创建任务调度表。相较于令牌轮询技术，集中式令牌技术的精准性更高，周期数据响应传递更加高效。为了提高集中式令牌技术对猝发信息的处理能力，可以考虑在剩余时间中主动放开节点的控制权，通过刺激增加其他节点，让其他节点夺取猝发数据传输权，进而解决突发事件处理速度慢的问题[10]。

5 技术应用协定

在网络控制系统数据信息传输过程中，任何数据传输技术都不是孤立存在的，需要结合实际需求对不同数据信息传输技术进行协同应用，从而形成不同的技术应用协定，如表1所示。其中Profibus协定一般在令牌轮询技术里使用，可以对传输数据进行分类，并达成优先级控制。基金会总线（Foundation Fieldbus，FF）协定一般在令牌在主站之间传递周期数据信息的情况下使用，可以协助令牌轮询技术处理突发性信息，对需求的时效性等级进行分类。