1 引言

　　在控制系統(tǒng)中，重要的核心問(wèn)題之一是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備、服務(wù)器、客戶(hù)端之間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的目的。此外，還要求系統(tǒng)只傳送與用戶(hù)需求有關(guān)的數(shù)據(jù)更新，且傳輸延遲應(yīng)當(dāng)被控制在確定的時(shí)間內(nèi)，即有實(shí)時(shí)性要求，任何控制系統(tǒng)離開(kāi)實(shí)時(shí)性將變得毫無(wú)意義，實(shí)時(shí)性問(wèn)題在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域具有十分重要的地位，本文將主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換及實(shí)時(shí)性作深入研討。

2 實(shí)時(shí)性的概念

　　2.1 實(shí)時(shí)性一般定義

　　實(shí)時(shí)是指信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工況及現(xiàn)場(chǎng)情況變化及時(shí)進(jìn)行處理。而實(shí)時(shí)系統(tǒng)指在事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時(shí)，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給予響應(yīng)，以足夠快的速度處理，及時(shí)地將處理結(jié)果送往目的地的一種處理系統(tǒng)。實(shí)時(shí)與快速并非是相同的含義，不論網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度如何，只要在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作，則稱(chēng)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。而實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是確定的，即是可以預(yù)測(cè)的，也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸是具有時(shí)限的。

　　其實(shí)，實(shí)時(shí)性就是將系統(tǒng)對(duì)輸入信息做出響應(yīng)的時(shí)間加以約束，即系統(tǒng)的正確性不僅與系統(tǒng)處理信息結(jié)果的正確性有關(guān)，而且還與系統(tǒng)得到結(jié)果的時(shí)間有關(guān)，只有系統(tǒng)處理信息的結(jié)果正確和得到結(jié)果的時(shí)間在規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)才是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。當(dāng)信息輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)必需在一定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，如果反應(yīng)結(jié)果正確，但超過(guò)了時(shí)限，就認(rèn)為系統(tǒng)失敗。滿(mǎn)足一項(xiàng)任務(wù)的實(shí)時(shí)性是指其響應(yīng)時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)限。一般實(shí)時(shí)應(yīng)用要求有兩個(gè)突出特點(diǎn):一是其中的活動(dòng)時(shí)間性比較強(qiáng)，要求在一定的時(shí)刻或一定的時(shí)間內(nèi)從外部環(huán)境收集信息，按彼此聯(lián)系存取已獲得的信息和處理收集的信息，再及時(shí)做出響應(yīng)；二是它們要處理“短暫”數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)只在一定的時(shí)間范圍內(nèi)有效，超過(guò)一定時(shí)限則就沒(méi)有意義了。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有兩層含義:一是指基本控制器的實(shí)時(shí)性，通常，每一臺(tái)控制器要具有一定的實(shí)時(shí)性，一般來(lái)說(shuō)，每一臺(tái)控制器所要承擔(dān)的任務(wù)不止一項(xiàng)，但每項(xiàng)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性都有一定要求，且可能會(huì)各不相同，每項(xiàng)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求將由配置在基本控制器中的“實(shí)時(shí)多任務(wù)管理程序”來(lái)承擔(dān)；二是指通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，控制系統(tǒng)具有通信功能的基本單元通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，這些單元稱(chēng)為“站”，當(dāng)某個(gè)站向通信網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求通信時(shí)，它對(duì)“響應(yīng)時(shí)間”是有要求的，不同的站對(duì)實(shí)時(shí)性要求可能不同，同一站中的不同通信任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也可能不同。

　　實(shí)時(shí)性是工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不同于普通lan(local area network局域網(wǎng))的最大特點(diǎn)，一般在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中信息響應(yīng)時(shí)間要求為0.01～0.5s，而普通lan中信息的響應(yīng)時(shí)間為2～6s，即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求比普通lan高得多，有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比普通lan高幾百倍，這只有靠犧牲部分信道利用率來(lái)保證。顯然，若將普通lan加以時(shí)間約束，使之滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，則它就可以應(yīng)用于控制系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性條件

　?。?）網(wǎng)絡(luò)本身的硬件性能。包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信媒體、網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率等。通信媒體的傳輸速率越高、網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率越快，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性就越高。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。包括媒體的訪問(wèn)控制方式、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)、傳輸?shù)目煽啃?、有無(wú)連接控制等等。層次結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就越高。而可靠性與實(shí)時(shí)性是相互矛盾的，對(duì)于無(wú)連接、無(wú)應(yīng)答的通信方式要比有連接、有應(yīng)答的通信方式的實(shí)時(shí)性要高，但可靠性差。例如通訊協(xié)議是profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，profibus-dp采用主從方式和低層的令牌環(huán)傳遞相結(jié)合的形式進(jìn)行通道分配，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以將總線系統(tǒng)分割成線段分步建立，段間用中繼器來(lái)連接，每個(gè)段可以有32個(gè)網(wǎng)絡(luò)站，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到126個(gè)網(wǎng)站，由于最大傳輸速率可達(dá)到12mbps，以及其第2層采用srd（發(fā)送并要求回送）功能，使得輸入和輸出數(shù)據(jù)可在一個(gè)周期內(nèi)完成，所以傳輸速度有了很大的提高，總線周期可盡量減少。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)的信息量。也稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，是指網(wǎng)絡(luò)在一定時(shí)間內(nèi)需要傳送信息的多少。網(wǎng)絡(luò)傳送信息量越少，其實(shí)時(shí)性就越高。

　　（4）信道利用率。實(shí)時(shí)性與通信子網(wǎng)的信道利用率是相互矛盾的，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，不得不犧牲一部分信道利用率。

　　2.4 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間域特點(diǎn)

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在時(shí)間域上具有以下一些特點(diǎn)，從而區(qū)分于其他系統(tǒng)。

　　（1）時(shí)限。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中執(zhí)行的任務(wù)一般具有時(shí)限要求，規(guī)定在特定時(shí)間內(nèi)完成特定的功能而不能超過(guò)這個(gè)時(shí)間。

　　（2）實(shí)時(shí)控制。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)經(jīng)常包括實(shí)時(shí)控制，接收輸入數(shù)據(jù)并做出控制決策。

　?。?）“反應(yīng)”系統(tǒng)。一般網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)都是“反應(yīng)”的系統(tǒng)，也就是說(shuō)，由事件驅(qū)動(dòng)并且必須對(duì)外界事件進(jìn)行響應(yīng)。

　?。?）并發(fā)處理。絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是并發(fā)處理，通常，事件發(fā)生的順序是不可預(yù)測(cè)的。

　?。?）與外部環(huán)境交互。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常需要與外部環(huán)境進(jìn)行交互。

3 實(shí)時(shí)對(duì)象模型

　　3.1 對(duì)象模型

　　當(dāng)研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性時(shí)，需要考慮時(shí)間域上的問(wèn)題，因此給出實(shí)時(shí)對(duì)象的定義。

　　定義1：實(shí)時(shí)對(duì)象可用如下的四元組表示：

orealtime=(ii,oi,p,t) （1）

　　其中orealtime為real-time object，表示具有實(shí)時(shí)性要求的對(duì)象；ii為input interface，表示輸入接口；0i為output interface，表示輸出接口；p為inner process，表示對(duì)象內(nèi)部處理；t為time，表示對(duì)象在時(shí)間上的要求。有了實(shí)時(shí)對(duì)象模型，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)對(duì)象之間的交互上，也就是對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)象中時(shí)間要求t的滿(mǎn)足。這里所要討論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就是要尋求可行的解決方案，使得tr≤tδ,其中tδ表示某個(gè)實(shí)時(shí)對(duì)象的時(shí)間要求。

　　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，同步和數(shù)據(jù)交換一般要經(jīng)過(guò)消息傳遞，實(shí)時(shí)通信為保證實(shí)時(shí)任務(wù)的按時(shí)完成起著關(guān)鍵作用，它最重要的性質(zhì)是需要確定有界的消息傳遞延遲，不可預(yù)測(cè)的消息延遲可能會(huì)使參與實(shí)時(shí)通信的任務(wù)違反時(shí)限要求。

　　3.2 消息傳遞延遲

　　消息傳遞延遲是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象開(kāi)始發(fā)送消息到接收節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象完全收到消息之間的時(shí)間間隔，主要包括以下幾個(gè)部分:

　?。?）消息在各節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象內(nèi)的等待延遲。報(bào)文在每個(gè)通信對(duì)象上被阻塞的時(shí)間量是因?yàn)槎鄺l通道的報(bào)文同時(shí)到達(dá)一個(gè)通信對(duì)象所致。

　?。?）報(bào)文發(fā)送延遲。節(jié)點(diǎn)對(duì)象發(fā)送一個(gè)報(bào)文所需時(shí)間，它依賴(lài)于報(bào)文大小和發(fā)送率，一般為常數(shù)。

　?。?）鏈路上的傳播延遲。一個(gè)數(shù)據(jù)位在鏈路上的傳播時(shí)間。

　　其中，發(fā)送延遲和鏈路上的傳播延遲分別由網(wǎng)絡(luò)帶寬和信號(hào)傳播速度決定，而節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象的消息排隊(duì)等待延遲由系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)所決定。

4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的通信分類(lèi)

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)既包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又包括非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

　　4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

　　如各種檢測(cè)器和控制器的i/o口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，信號(hào)、控制器之間的互鎖信號(hào)、部分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間要求苛刻，一般不允許有秒級(jí)的延遲，在某些特殊情況下甚至不允許有毫秒級(jí)的延遲。另一方面，對(duì)大多數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而言，只有最新數(shù)據(jù)是有意義的，如果在某一時(shí)間段內(nèi)，某一數(shù)據(jù)由于某種原因未能作用，而此時(shí)下一個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)產(chǎn)生，則該數(shù)據(jù)將被丟棄，而啟用最新數(shù)據(jù)，因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一般不要求重發(fā)。例如:在本項(xiàng)目的溫度控制子系統(tǒng)中，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)是由溫度傳感器傳送的溫度信號(hào)決定的，此時(shí)控制器將只接收溫度傳感器傳送的最新數(shù)據(jù)；同樣，閥門(mén)將只接收控制器傳送的最新控制信號(hào)，否則便會(huì)產(chǎn)生滯后。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，對(duì)帶寬的占用率較低。

　4.2 非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

　　如用戶(hù)編程數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)、部分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)等。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間要求不很苛刻，允許有相對(duì)較長(zhǎng)的延遲，但這種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，對(duì)帶寬的占用率較高，對(duì)絕大多數(shù)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而言，傳送的數(shù)據(jù)都是有意義的，一般不允許丟失，需要差錯(cuò)控制和重發(fā)機(jī)制保證數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確。

　　4.3 通訊分類(lèi)

　　從時(shí)域的角度看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸可以概括為三種類(lèi)型的通信:周期性通信、隨機(jī)性通信和突發(fā)性通信。

　?。?）周期性通信。如傳感器周期性地傳送采樣數(shù)據(jù)，控制器周期性地傳送控制信號(hào)，這類(lèi)通信的特點(diǎn)是通信周期性地發(fā)生，一般為相對(duì)固定的端到端的消息傳遞；傳送的數(shù)據(jù)一般為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信量較小，占用固定的帶寬。

　　（2）隨機(jī)性通信。如客戶(hù)端向服務(wù)器端請(qǐng)求服務(wù)等，這類(lèi)通信的特點(diǎn)是:

l通信隨機(jī)性地發(fā)生，一般符合負(fù)指數(shù)分布；
l傳送的數(shù)據(jù)一般為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
l數(shù)據(jù)通信量較大。

　?。?）突發(fā)性通信。如報(bào)表信息等，這類(lèi)通信的特點(diǎn)是:

l通信是突發(fā)的；
l傳送的數(shù)據(jù)一般為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
l數(shù)據(jù)通信量小。

　　4.4 周期性實(shí)時(shí)消息模型

　?。?）由于工業(yè)控制系統(tǒng)中的通訊絕大部分屬于周期性通信，我們著重看一下周期性實(shí)時(shí)通信。

　　定義:周期性通信中的消息流可以用如下周期性實(shí)時(shí)消息模型表示:

cm=（l,c,s,d）； （2）

　　式中，cm(cyclic message)為周期性消息；l(length)為周期性消息流長(zhǎng)度，表示消息流的傳輸時(shí)間，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的信息域、校驗(yàn)域和前導(dǎo)符等消息幀全部?jī)?nèi)容；c(cycle)為通信周期，也即消息產(chǎn)生周期；s(start time)為發(fā)出通信請(qǐng)求的時(shí)刻，即消息產(chǎn)生的時(shí)刻，d(deadline)為消息時(shí)限，即消息從產(chǎn)生至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所能允許的最大延遲時(shí)間。

　?。?）周期性消息流k表示為:

cmk=（lk,cx,sk,dk）； （3）

　　從周期性實(shí)時(shí)消息的定義可以得出，周期性通信實(shí)時(shí)性的滿(mǎn)足由如下條件決定:

　　l tp－s≤d,tp為消息傳送過(guò)程中的某一時(shí)刻，該條件說(shuō)明消息從產(chǎn)生到最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)不會(huì)超過(guò)其時(shí)限。

　　l tmax≤c,tmax為進(jìn)行周期性通信的節(jié)點(diǎn)獲得總線控制權(quán)的最大時(shí)間間隔。

　　 l tr≤l,tr為一次總線控制時(shí)間，該條件說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在獲得總線控制權(quán)后應(yīng)有充分的時(shí)間發(fā)送完所有的周期性消息。

　　對(duì)于周期性通信，要保證所有消息流的實(shí)時(shí)性，而不是某一個(gè)消息流的實(shí)時(shí)性，因此，要考慮通信中的最壞情況；另一方面，在保證實(shí)時(shí)性的前提下，還要考慮系統(tǒng)的綜合效率，即合理利用通信信道，保證信道利用率的平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文的分析對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題作了更加全面討論，有利于在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，更好的滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。