什么是現(xiàn)場總線的實時通信技術(shù)

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

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工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)的時間確定性是指通過傳送網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)必須在預(yù)先確定的時間內(nèi)從源節(jié)點傳送到宿節(jié)點。在一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，從現(xiàn)場變送器采集測量數(shù)據(jù)，需要經(jīng)總線傳送到PID控制模塊，并將運算結(jié)果傳送至控制閥，由于設(shè)定的采樣時間是確定的，它不受網(wǎng)絡(luò)傳送其他數(shù)據(jù)的影響，只有這樣，才能保證PID控制回路以固定的周期完成對該參數(shù)的控制。對于這種有實時控制要求的系統(tǒng)，通常要求網(wǎng)絡(luò)從某一節(jié)點到另一節(jié)點的延遲時間小于2～4ms。

一、影響現(xiàn)場總線實時性的主要因素有下列幾項。

①現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸速率：傳輸速率高的系統(tǒng)具有高的實時性。

數(shù)據(jù)傳輸量：數(shù)據(jù)傳輸量少則實時性好。

從站數(shù)量：從站數(shù)量少，數(shù)據(jù)傳輸量少，實時性好。

主站數(shù)據(jù)處理速度：主站數(shù)據(jù)處理速度快，實時性好。

控制輸入輸出的方式：單機控制方式比現(xiàn)場總線控制方式的實時性好。

通信是否要經(jīng)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋或路由器：經(jīng)過這些設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的實時性差。

②主站應(yīng)用程序的大小、復(fù)雜程度。它們將影響系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

二、可采用多種解決實時性的措施：

①減少網(wǎng)絡(luò)通信的吞吐量，保證一旦有通信要求就能夠立即實現(xiàn)通信。例如，在Foxboro公司的I/AS控制系統(tǒng)中，采用的以太網(wǎng)通信允許掛接節(jié)點數(shù)為1024個，以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議。從本質(zhì)看，該協(xié)議對解決通信沖突的方法不具有通信確定性的特性，即某一個節(jié)點獲取發(fā)送權(quán)后，其他需要發(fā)送的節(jié)點只能等待，并不斷地偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑，當(dāng)偵聽到網(wǎng)絡(luò)空閑時才能去競爭通信的發(fā)送權(quán)。由于偵聽等待時間的隨機性，因此，不能保證通信時間的確定性。為此，該系統(tǒng)規(guī)定允許zui多掛接32個節(jié)點，大大減少網(wǎng)絡(luò)通信的吞吐量，使時間延遲在2ms以下，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的實時性要求。

減少通信量的其它措施包括提高有效通信量等方法。例如，在TCP/IP分組中包含20字節(jié)IP報文頭和20字節(jié)TCP報文頭，在TCP的連接建立后，分組的報文頭是無效的通信，不必在每個分組中重復(fù)發(fā)送，因此，可重構(gòu)一個小報文頭，減少通信的傳輸字節(jié)。通常，采用TCP/IP報文頭壓縮，使分組報文頭字節(jié)減到10個字節(jié)。

②減少通信沖突的發(fā)生，保證通信的實時性。例如，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的、具有交換功能的智能式集線器。掛在該網(wǎng)絡(luò)上的每一個節(jié)點設(shè)備常駐于其自身的網(wǎng)段，而所有的網(wǎng)段均連接到交換式集線器上，該集線器提供緩沖存儲器，并具有偵測哪個網(wǎng)段需要傳輸數(shù)據(jù)的功能。雖然該通信方式存在時間延遲（不大于1ms），但因通信沖突被減至zui低，滿足了通信實時性要求。此外，研究沖突解決方法也可減少報文延遲，例如，實用的以太網(wǎng)報文沖突解決方法有CSMA/DCR及改進型CSMA/MDCR、CSMA/LDCR。CSMA/DCR采用確定性二叉樹尋址方法，按節(jié)點地址采用先序遍歷方式（PreorderTraversal）解決沖突。CSMA/MDCR采用發(fā)送時間分信息通知和信息發(fā)送兩部分，某節(jié)點的信息通知成功后，可連續(xù)發(fā)送幾個信息的方法解決沖突，而CSMA/LDCR采用動態(tài)二叉樹尋址方法，當(dāng)信息松弛期小于某限值才發(fā)送信息，由于這些方法是動態(tài)分配優(yōu)先級，因此，能夠有效減少沖突。

③采用全雙工通信模式和交換式以太網(wǎng)。全雙工通信模式將發(fā)送和接收分開，這種通信方式具有通信效率高、控制簡單的特點，能夠滿足實時性的要求，但通信結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。交換式以太網(wǎng)將以太網(wǎng)分為若干微網(wǎng)段，它增加每個網(wǎng)段的吞吐量和帶寬，每個微網(wǎng)段作為子沖突域由交換機隔離，交換機各端口間可同時形成多個數(shù)據(jù)通道，使每個節(jié)點都有各自單獨通道與其他節(jié)點連接，從而使數(shù)據(jù)發(fā)送和接收不受沖突的影響，使共享帶寬成為獨享帶寬，提高了實時性。

④采用塌縮的通信模型和通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線控制時，ISO制訂的開放系統(tǒng)互連參考模型中網(wǎng)絡(luò)層等高層通信協(xié)議是不需要的，因此，將現(xiàn)場總線設(shè)備直接與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接，就可以減少在高層之間信息或報文傳輸服務(wù)及封裝和解裝等所花費的時間開銷，為此，建立了多種簡化的通信模型。例如，基金會現(xiàn)場總線的通信模型只采用OSI通信模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并在上面增加用戶應(yīng)用層，它將第二層到第七層合并為通信棧。制造自動化協(xié)議MAP（ManufactureAutomationProtocol）分為全MAP（FullMAP）、小MAP（MiniMAP）和增強性能結(jié)構(gòu)MAP（EPAMAP）等。其中，小MAP采用OSI通信模型的*層、第二層和第七層，而EPAMAP既支持MAP，也支持小MAP，當(dāng)有實時性苛刻要求時可采用小MAP，滿足了實時性要求。

⑤選用合適的現(xiàn)場總線儀表，減少通信量。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中選用合適的現(xiàn)場總線智能儀表，可以減少在現(xiàn)場總線中的通信量。例如，PID功能模塊可設(shè)置在智能變送器、智能閥門定位器或上位機控制器內(nèi)。組成單回路控制系統(tǒng)時，如果PID功能模塊設(shè)置在智能閥門定位器內(nèi)，因PID控制模塊與AO輸出模塊在同一設(shè)備，內(nèi)部的信息交換不占用現(xiàn)場總線的通信量，因此，可減少現(xiàn)場總線的通信任務(wù)，提高實時性。如果PID功能模塊設(shè)置在其他設(shè)備內(nèi)，就會增加現(xiàn)場總線的通信量。

⑥采用發(fā)布方/預(yù)約接收方的通信結(jié)構(gòu)和設(shè)置優(yōu)先級。通信總線可采用多種通信結(jié)構(gòu)，例如發(fā)布方/預(yù)約接受方、客戶/服務(wù)器、源/宿通信結(jié)構(gòu)。

發(fā)布方/預(yù)約接收方的通信結(jié)構(gòu)是一個或多個數(shù)據(jù)源（即發(fā)布方）向多個數(shù)據(jù)接收點（預(yù)約接收方）發(fā)送數(shù)據(jù)的zui佳解決方案。由于預(yù)約接收方已經(jīng)對有關(guān)的發(fā)布方信息進行了預(yù)約（組態(tài)），因此，發(fā)布方知曉接收方的地址和對信息的要求，這樣，節(jié)點之間的通信有如點對點的通信，具有實時性強的特點。該通信方式支持多點通信，可為多個預(yù)約接收方發(fā)送信息，因此，通信效率提高，對分布式的控制應(yīng)用尤為適用。在分布式自動化接口IDA（InterfaceforDistributedAutomation）組織公布的RTPS（RealTimePublish/Subscribe）通信協(xié)議中就采用了發(fā)布方/預(yù)約接收方的通信結(jié)構(gòu)。基金會現(xiàn)場總線中的實時數(shù)據(jù)傳送也采用發(fā)布方/預(yù)約接收方的通信模式，對現(xiàn)場設(shè)備實時數(shù)據(jù)進行周期通信，滿足實時要求。對實時性要求不高的參數(shù)整定、手自動切換等操作則采用非周期的客戶機/服務(wù)器通信方式，減少周期通信吞吐量，提高了系統(tǒng)的實時性。

在工業(yè)控制應(yīng)用時，對數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級分類。對重要數(shù)據(jù)的通信設(shè)置為高優(yōu)先級，從而保證實時數(shù)據(jù)的即時傳輸。例如，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭使用3個位來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級，在IP幀中也設(shè)置3～4位的優(yōu)先級標(biāo)志等。

⑦采用虛擬局域網(wǎng)和引入質(zhì)量服務(wù)。使用虛擬局域網(wǎng)將不同功能層、不同部門分開，提高網(wǎng)絡(luò)整體安全性和簡化網(wǎng)絡(luò)管理。由于它通過廣播過濾器建立通信組，而不采用物理地址，因此，當(dāng)某設(shè)備在交換機范圍內(nèi)變動時，廣播過濾器能夠自動完成物理地址和邏輯地址的映射，保證通信組的持續(xù)性，使信息在虛擬局域網(wǎng)定義的端口中的傳輸時延大大減少，同時，由于其他虛擬局域網(wǎng)不能收到該廣播信息，也減少了不必要的廣播流量，提高了實時性。

通信服務(wù)質(zhì)量（QoS：QualityofService）是為滿足工業(yè)自動化實時控制提出的一系列通信特征需求，例如響應(yīng)延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性和丟包率等。不同的應(yīng)用對通信的服務(wù)質(zhì)量需求不同，因此，實際應(yīng)用時，應(yīng)保證工業(yè)現(xiàn)場相對較少但時間要求較高的數(shù)據(jù)的實時性，例如，對控制信號的要求較高，應(yīng)盡量減小其延遲時間，滿足其實時性要求。但對一些要求不高的參數(shù)調(diào)整，例如，改變設(shè)定值等可采用非實時通信。引入通信質(zhì)量服務(wù)還可防止對網(wǎng)絡(luò)的非法使用，例如，對控制層現(xiàn)場控制設(shè)備的訪問和對監(jiān)視數(shù)據(jù)單元終端的訪問等。工業(yè)控制應(yīng)用時，對數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級分類，重要數(shù)據(jù)有高的優(yōu)先級，從而使通信的服務(wù)質(zhì)量得到兼顧。

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