1 工業(yè)以太網(wǎng)實時性能評價沒有統(tǒng)一的標準
某種報文的實時性得到滿足是指其報文響應時間小于規(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都能獲得響應。整個控制網(wǎng)絡的實時性符合要求是指分布在網(wǎng)絡上每一個節(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)點獲得通信權的時間必須有上限值限制。若超過此值,無論本次通信任務是否完成,均應立即釋放通信權。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致其它各節(jié)點實時性惡化。
2)應當保證在某一固定的時間周期內,網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點都有機會取得通信權,以防個別節(jié)點因長時間得不到通信權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)絡實時性好壞的一個衡量標準。
3)對于緊急任務,當其實時性要求臨時變得很高時,應當給以優(yōu)先服務。對于實時性要求比較高的節(jié)點,也應當使它取得通信權的機會比其它節(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,采用動態(tài)(臨時)的方式賦予某些通信任務以比較高的優(yōu)先權,則將使緊急任務及重要節(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)議在航空和航天領域廣泛使用,基于CSMA/CA的CAN總線協(xié)議是高級轎車內部控制電路的標準協(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)絡技術的進步,各種協(xié)議都在努力改進協(xié)議性能,采用各種方法提高實時性。另一方面,通過調整網(wǎng)絡配置和負載,進行整體優(yōu)化,達到實時性要求。
因此目前不會出現(xiàn)具體通用的工業(yè)以太網(wǎng)實時服務判定標準,需要針對實際應用和出現(xiàn)的新技術進行實時性能評價。
2 不同工業(yè)以太網(wǎng)實時性能*價的異同
工業(yè)以太網(wǎng)可以分為兩大類:用于過程控制領域的工業(yè)以太網(wǎng)例如HSE以及用于離散控制領域的工業(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)絡響應時間具有統(tǒng)一的模型,網(wǎng)絡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)絡響應時間反映的,影響網(wǎng)絡響應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,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)絡響應時間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)絡通道上時間延遲和目標節(jié)點的時間延遲。
源節(jié)點的時間延遲包括預處理時間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)絡的傳送狀況。
網(wǎng)絡時間延遲包括:傳送時間Ttx,它是幀發(fā)送時間Tframe和網(wǎng)絡的物理傳播遲延Tprop的總和,取決于信息的大小、數(shù)據(jù)傳送率和網(wǎng)絡纜線的長度;還有就是等待時間Twait的另外一部分,網(wǎng)絡阻塞時間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。
所以總的時間延遲可表示為:
兩者的不同之處:
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)絡的時間確定性是指通過網(wǎng)絡傳送的數(shù)據(jù)必須在預先確定的時間內從源傳送到目的地。也就是在截止期之內數(shù)據(jù)報文到達接收者。
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測的定時,也就是什么時候數(shù)據(jù)報文到達接收者,生成響應數(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確度,通常是指所有部件同時執(zhí)行一個重復出現(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)控制是非常關鍵的。以一個無軸印刷機為例:設印刷速度為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)實時通信的響應時間應在5~10ms的范圍內,為此通常要求從某一節(jié)點到另一節(jié)點的網(wǎng)絡時間延遲要小于2~4ms。對于一般實時控制要求的網(wǎng)絡時間延遲可以更大。
3 結語
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,還要對抖動進行控制是其主要難點。目前基于商用可得(COTS)技術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)絡軟硬件技術的不斷發(fā)展,可以考慮采用COTS新技術進行應用研究。