實時通訊

實時系統是指能夠在確定的時間內執行計算或處理功能並對外部的異步事件做出響應的計算機系統。在實時系統中，完成任務的時間要求是其決定性特徵。根據這一特性，實時系統可分為硬實時系統和軟實時系統。對於硬實時系統，每個任務都有一個處理截止時間，任務必須要在這個截止時間到達之前完成，否則後果可能是災難性的和不可恢復的。

在計算機實時系統中，為了保證整個系統的實時性，要求系統中網絡傳輸具有實時特性。而傳統的網絡技術，如以太網、FDDI等在實時應用中存在以下幾方面的缺點：(1)數據傳輸速率不高；(2)在網絡負載較大時，網上數據傳輸延遲較大且延遲具有不可預期性；(3)網絡通信需要藉助許多網絡協議來完成，降低了通信效率。而真正的實時網絡應具有傳輸的確定性和可預測性、傳輸速率高、傳輸糾錯能力強等特點。

而對於軟實時系統來説，如果任務在截止時間過去之後才完成也是可以接受和恢復的。目前許多分佈式實時系統都是硬實時系統，而實時網絡就可以滿足硬實時系統這種嚴格系統處理時間的需求。當然實時系統必須具有實時操作系統。實時網絡最重要的特點就是其通信的確定性和可預測性，就是説實時網絡中各節點間數據傳輸的時間是確定的，即可預測的。實時網絡中的數據傳輸是具有時限的，如果網絡中數據傳輸的時間超出了時限，即使接收方收到了數據，系統也認為此次數據傳輸失效。 ^[1] 

工業控制網絡是連接工業現場測量控制設備的一類特殊網絡，它不但要完成非實時信息的通信,而且還要求支待實時信息的通信。其區別於一般商用的特殊性具體體現在:

(1)信息長度較小;

(2)週期與非週期信息同時存在,正常工作狀態週期性信息(如過程測量與控制信息、監控信息等)較多，而非週期信息(如突發事件報警、程序上下載等)較少;

(3)有限的時間響應;

(4)信息流向具有明顯的方向性,如測量信息由變送器向控制器傳送,控制信息由控制器向執行機構傳送,過程監控與突發時間信息由現場儀表向操作站傳送,程序下載由工程師站向現場儀表傳輸等;

(5)測量控制信息的傳送有一定的順序性,如測量信息首先需要傳送到控制器,由控制器進行控制運算,發出的控制信息傳送給執行機構,控制相關閥門的動作。

要滿足上述工業通信系統的特殊要求,客觀上要求工業控制網絡協議能夠處理上述特點帶來的新問題,具備以下幾個功能:

(1)網絡通信在時間上的確定性,即在時間上,任務的行為可以預測;

(2)實時響應適應外部環境的變化,包括任務的變化、網絡節點的增/減、網絡失效診斷等;

(3)簡單的網絡通信方式,可以減少通信處理延遲。 ^[2] 

雖然現場總線在工業現場控制網絡中佔據着統制地位, 但現場總線技術的應用也存在諸多問題, 首先是現場總線標準問題. 標準體現了技術的開放性和互聯性.

由於不同的標準在一定意義上代表着不同的廠商利益, 廠商之間市場、利益的競爭會反映到標準的推廣、應用和被採納的廣度和深度, 所以使得協議之間存在着競爭. 不同現場總線通信協議之間的差異性, 使得實現不同總線產品間的互聯和互操作非常困難, 這不但使現場總線的優越性難以體現, 而且增加了用户應用的技術和投資風險, 不利於現場總線技術的發展和推廣應用.

其次是帶寬問題. 分散的控制數據是增加帶寬的要求之一, 在今後的幾年裏, DCS(分佈控制系統)產生的製造信息將增加20到30倍. 同樣地, PLC 從場地設備採集的信息預計將增加10到20倍. 當前現場總線一般的傳輸速率為1Mbps～ 2Mbps, 缺少升級到幾兆速率的能力來支持數以千計的設備. 新型現場總線, 如速率為12Mbps的Profibus可能提供高效的性能, 但伴隨的是昂貴的價格.

第三是與商用網絡的集成問題. 互聯網及其相關技術已經極大地改變了企業的經營方式, 它使信息通信貫穿整個社會, 遍及全球. 在製造加工工業中, 新技術的發展方向是建立在Internet /Intrane t基礎上的開放式的、透明的商業運作, 用以取代傳統的賣方驅動體系. 現有現場總線標準大都無法直接與互聯網連接, 需要額外的網絡設備才能完成通信。 ^[3] 

傳統的控制網絡中,應用層實時協議可以基於兩種通信模型來實現,一種是基於令牌的通信模型,另一種是生產者/消費者(Produeer/Consumer)模型。

基於令牌的通信模型要求網絡上有一個(至少有一個)主設備-—總線仲裁者,和多個從設備。每個從設備通過從主設備獲取令牌週期性地發送數據。通常,沒有主設備的允許,網絡上的從設備不能佔有網絡。基於令牌的通信模型如圖3所示。基於令牌的通信模型是一種集中式控制機制,它可以保證網絡上的每個節點在時間上的通信確定性。

但集中式控制的缺陷也是很明顯的,一旦發送令牌的總線仲裁者發生故障,網絡上所有節點的通信就會發生混亂,導致整個系統癱瘓。 ^[2] 

帶有總線仲裁者的生產者/消費者通信模型如圖4所示。在生產者/消費者通信模型中,變量之間通過一個標識符來相互區別。每個變量只能由一個生產者生成,但可以破多個消費者查詢。生產者/消費者通信模型主要用於週期性信息的傳輸,它可以根據網絡上的總線仲裁者的調度來實現,總線仲裁者根據一個週期性的表格請求生產某個變量,生產該變量的設備收到請求後,就在網絡上發佈指定的變量。如果網絡上沒有總線仲裁者,那麼可以在系統組態時就確定每個節點發送週期性信息的時間順序,各個節點按照事先組態好的順序獨立執行。生產者/消費者模型的缺點是無法處理突發性信息(如報警和事件通知)。 ^[2] 

工業控制網絡是一種典型的實時應用系統,其中的任務(如功能塊的執行)通常按照一定的時間間隔觸發,並且對任務的執行時間具有截止期要求。這種任務稱為週期性任。實時應用系統中還有一種任務,這

種任務只有在特定的事件觸發下才出現,例如報警處理。這類任務稱為非週期性任務。非週期性任務是隨機觸發的。這兩種任務反映在工業控制網絡的通信上,就是兩類通信信息:週期性通信信息和非週期性通信信息。週期性通信信息和非週期性通信信息具有不同的時間特性。一旦系統組態完成,週期性通信信息的發送就具有時間確定性。而非週期性通信信息往往是突發信息,在時間上是不確定的。基於以太網的工業控制網絡同樣包含這兩類通信信息。而且,以太網上各個節點的通信都具有時間不確定性。

對於週期性信息,根據組態好的節點執行順序,採用生產者/消費者通信模型來管理信息的通信,可以實現信息的實時傳輸。而對於發生在週期信息通信間隙的非週期信息的通信,可以採用令牌的方式來管理信息的實時傳輸。基於上述分析,我們可以把上述的兩種應用層實時通信模型結合起來,形成一個適用於基於以太網的工業控制網絡的應用層實時通信模型—仲裁者/生產者/消費者模型,以管理信息的實時通信。

在仲裁者/生產者/消費者模型中,生產者發送過程變量,消費者接收過程變量,負責週期性信息的發送。

仲裁者負責協調不同設備之間的生產者在處理非週期性信息時對總線的需求。每個過程變量只有一個生產者,卻可以有多個消費者。凡是提供過程變量的節點都必須提供生產者功能,並且能夠在已經組態好的執行順序下,將該過程變量傳送到它的消費者所在的節點中。例如,把傳感器變量傳送到控制品、把控制器的結果傳送到執行器以及把過程變量傳送到歷史數據庫等。生產者的IP數據報文中,源地址為生產者自己的IP地址,目的地址則是一個組播或廣播地址。在消費者所在的設備上儲存它所需要的生產者的IP地址,利用這些地址,各個節點都具備過濾功能。

(1)週期性信息通信過程在仲裁者/生產者/消費者模型中,一旦系統組態完成,週期性信息的通信在時間上就確定下來,不需仲裁者的控制,網絡中的每個節點嚴格控照預先組態好的調度順序執行。只要節點的執行時間一到,就開始處理收到的數據,並在處理結束後把需要發送的信息廣播到整個網段上,該網段上的所有設備都接收到該信息。在收到該信息後,只有當該信息是某個設備上的消費者所需要的,此設備才保留此信息,其它設備則把此信息丟棄。通常,生產者和消費者的關係通過組態來設定。

(2)非週期信息通信過程

由於以太網是一種搶佔式的網絡,在週期性通信的間隙,當有多個節點需要發送非週期信息時,就有可能會產生衝突。為了解決這一問題,在仲裁者/生產者/消費者模型中,總線仲裁者通過輪詢的方式來管理非週期信息的通信。在週期性通信的間隙,總線仲裁者按照節點的IP地址依次發送令牌。各個設備只有在收到令牌後,才能發送非週期性信息。令牌的持續時間由總線仲裁者來確定,其最長持續時間不能大於週期性信息的發送間隙,否則,就會影響週期性信息的發送。

為了保證重要非週期信息(如報警信息)的優先發送,可以為非週期信息劃分優先級。與非週期信息的級別相對應,令牌也劃分成同樣的級別。當某個節點收到令牌後,只有當非週期信息的優先級不小於當前令牌優先級時,該非週期信息才被允許發送。根據令牌週期,總線仲裁者在線自動調節令牌的優先級,即自動實現非週期信息的在線優化調度。

一種基於以太網的實時通信層次模型如圖1所示。在傳輸層採用TCP（傳輸控制協議）和UDP協議。

UDP是一種無連接的傳輸協議,位於IP協議的上層。UDP採用簡單的校驗和技術進行差錯控制,不處理流量控制。同TCP協議相比,UDP傳輸不需要建立連接,UDP報文簡單,傳輸的額外負載非常小,使得數據傳輸效率非常高,適用於實時通信。

但UDP無法解決以太網本身通信不確定性和衝突的問題。這些問題可以通過兩種方法結合來實現:

(1)在底層採用交換式以太網技術;

(2)在應用層採用實時通信協議。

基於CSMA/CD的以太網在通信的確定性和衝突等方面的問題,可以通過使用最新的以太網交換技術來解決。在物理連接上，用交換機替代傳統的共享式HUB，就可以構建一個交換式以太網。圖2是一種基於全雙工通信的以太網交換機模型。

交換機的N個物理端口工作在全雙工模式下,邏輯上可以獲得N個輸入通道和N個輸出通道。這樣,連接在交換機上的N個設備即使同時發送和接收數據也不會發生衝突。交換式以太網的核心技術就是把衝突域最小化,使得每個衝突域只包括一個點對點的連接,這樣就避免了衝突的發生。在交換式以太網中,網絡通信的速度和效率取決於交換機的速度。

為了減少交換機對整個以太網通信速度和效率的負面影響,在組網時要儘量避免跨多個交換機的通信。在工業控制網絡中,設備之間的通信往往在系統組態時就已經確定下來,把經常交換數據的設備放在一個網段,這樣可以最大限度地減少跨交換機通信情況的出現。 ^[2]