1 工業(yè)以太網實時性能評價沒有統(tǒng)一的標準

根據文獻，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。整個控制網絡的實時性符合要求是指分布在網絡上每一個節(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)點出現這種情況，整個網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絡中常用的訪問控制方式，會發(fā)現有些存取控制方法一條約束條件也不滿足，如Lonwork現場總線的 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。

因此目前不會出現具體通用的工業(yè)以太網實時服務判定標準，需要針對實際應用和出現的新技術進行實時性能評價。

2 不同工業(yè)以太網實時性能評價的異同

工業(yè)以太網可以分為兩大類：用于過程控制領域的工業(yè)以太網例如HSE以及用于離散控制領域的工業(yè)以太網例如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：網絡響應時間具有統(tǒng)一的模型，網絡中的延遲都是其中重要組成部分。整個工業(yè)以太網系統(tǒng)的實時性能是由網絡響應時間反映的，影響網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)以太網網絡，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)點需傳送數據的總和與網絡的傳送狀況。

網絡時間延遲包括：傳送時間Ttx，它是幀發(fā)送時間Tframe和網絡的物理傳播遲延 Tprop的總和，取決于信息的大小、數據傳送率和網絡纜線的長度;還有就是等待時間Twait的另外一部分，網絡阻塞時間Tblock;

目的節(jié)點的時間延遲Tpost是數據的后期處理時間，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。

圖1 工業(yè)以太網響應時間的示意圖

所以總的時間延遲可表示為：

用于過程控制的工業(yè)以太網的實時類型如圖2中的左側圖所示。

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據報文以及響應數據的生產都是有時間確定性的。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信網絡的時間確定性是指通過網絡傳送的數據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據報文到達接收者。

圖2 不同控制領域的工業(yè)以太網實時要求不同

用于運動控制，精密制造的工業(yè)以太網的實時類型如圖2中的右側圖所示。

延遲和同步是這種類型實時數據通信的決定性因素。這種類型實時數據通信具有一個精確的可預測的定時，也就是什么時候數據報文到達接收者，生成響應數據和需要多長時間來傳送該數據報文，都是規(guī)定好的。同步決定了分布式系統(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 刷新一次通信數據就沒有什么必要。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)點的網絡時間延遲要小于2～4ms。對于一般實時控制要求的網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)以太網的苛刻，同時商用網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。

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