什么是現場總線的實時通信技術

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

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工業控制通信網絡的時間確定性是指通過傳送網絡的數據必須在預先確定的時間內從源節點傳送到宿節點。在一個現場總線控制系統中，從現場變送器采集測量數據，需要經總線傳送到PID控制模塊，并將運算結果傳送至控制閥，由于設定的采樣時間是確定的，它不受網絡傳送其他數據的影響，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的控制。對于這種有實時控制要求的系統，通常要求網絡從某一節點到另一節點的延遲時間小于2～4ms。

一、影響現場總線實時性的主要因素有下列幾項。

①現場總線數據傳輸速率：傳輸速率高的系統具有高的實時性。

數據傳輸量：數據傳輸量少則實時性好。

從站數量：從站數量少，數據傳輸量少，實時性好。

主站數據處理速度：主站數據處理速度快，實時性好。

控制輸入輸出的方式：單機控制方式比現場總線控制方式的實時性好。

通信是否要經網關、網橋或路由器：經過這些設備傳輸數據的實時性差。

②主站應用程序的大小、復雜程度。它們將影響系統的響應時間。

二、可采用多種解決實時性的措施：

①減少網絡通信的吞吐量，保證一旦有通信要求就能夠立即實現通信。例如，在Foxboro公司的I/AS控制系統中，采用的以太網通信允許掛接節點數為1024個，以太網采用CSMA/CD協議。從本質看，該協議對解決通信沖突的方法不具有通信確定性的特性，即某一個節點獲取發送權后，其他需要發送的節點只能等待，并不斷地偵聽網絡是否空閑，當偵聽到網絡空閑時才能去競爭通信的發送權。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，該系統規定允許zui多掛接32個節點，大大減少網絡通信的吞吐量，使時間延遲在2ms以下，保證了網絡通信的實時性要求。

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IP報文頭和20字節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發送，因此，可重構一個小報文頭，減少通信的傳輸字節。通常，采用TCP/IP報文頭壓縮，使分組報文頭字節減到10個字節。

②減少通信沖突的發生，保證通信的實時性。例如，采用星形網絡拓撲結構的、具有交換功能的智能式集線器。掛在該網絡上的每一個節點設備常駐于其自身的網段，而所有的網段均連接到交換式集線器上，該集線器提供緩沖存儲器，并具有偵測哪個網段需要傳輸數據的功能。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，按節點地址采用先序遍歷方式（PreorderTraversal）解決沖突。CSMA/MDCR采用發送時間分信息通知和信息發送兩部分，某節點的信息通知成功后，可連續發送幾個信息的方法解決沖突，而CSMA/LDCR采用動態二叉樹尋址方法，當信息松弛期小于某限值才發送信息，由于這些方法是動態分配優先級，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。全雙工通信模式將發送和接收分開，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，但通信結構復雜，成本高。交換式以太網將以太網分為若干微網段，它增加每個網段的吞吐量和帶寬，每個微網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據通道，使每個節點都有各自單獨通道與其他節點連接，從而使數據發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議。現場總線控制時，ISO制訂的開放系統互連參考模型中網絡層等高層通信協議是不需要的，因此，將現場總線設備直接與現場總線網絡連接，就可以減少在高層之間信息或報文傳輸服務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，基金會現場總線的通信模型只采用OSI通信模型的物理層、數據鏈路層和應用層，并在上面增加用戶應用層，它將第二層到第七層合并為通信棧。制造自動化協議MAP（ManufactureAutomationProtocol）分為全MAP（FullMAP）、小MAP（MiniMAP）和增強性能結構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選用合適的現場總線儀表，減少通信量。在現場總線控制系統中選用合適的現場總線智能儀表，可以減少在現場總線中的通信量。例如，PID功能模塊可設置在智能變送器、智能閥門定位器或上位機控制器內。組成單回路控制系統時，如果PID功能模塊設置在智能閥門定位器內，因PID控制模塊與AO輸出模塊在同一設備，內部的信息交換不占用現場總線的通信量，因此，可減少現場總線的通信任務，提高實時性。如果PID功能模塊設置在其他設備內，就會增加現場總線的通信量。

⑥采用發布方/預約接收方的通信結構和設置優先級。通信總線可采用多種通信結構，例如發布方/預約接受方、客戶/服務器、源/宿通信結構。

發布方/預約接收方的通信結構是一個或多個數據源（即發布方）向多個數據接收點（預約接收方）發送數據的zui佳解決方案。由于預約接收方已經對有關的發布方信息進行了預約（組態），因此，發布方知曉接收方的地址和對信息的要求，這樣，節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，可為多個預約接收方發送信息，因此，通信效率提高，對分布式的控制應用尤為適用。在分布式自動化接口IDA（InterfaceforDistributedAutomation）組織公布的RTPS（RealTimePublish/Subscribe）通信協議中就采用了發布方/預約接收方的通信結構。基金會現場總線中的實時數據傳送也采用發布方/預約接收方的通信模式，對現場設備實時數據進行周期通信，滿足實時要求。對實時性要求不高的參數整定、手自動切換等操作則采用非周期的客戶機/服務器通信方式，減少周期通信吞吐量，提高了系統的實時性。

在工業控制應用時，對數據進行優先級分類。對重要數據的通信設置為高優先級，從而保證實時數據的即時傳輸。例如，以太網數據幀頭使用3個位來表示數據傳輸的優先級，在IP幀中也設置3～4位的優先級標志等。

⑦采用虛擬局域網和引入質量服務。使用虛擬局域網將不同功能層、不同部門分開，提高網絡整體安全性和簡化網絡管理。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，當某設備在交換機范圍內變動時，廣播過濾器能夠自動完成物理地址和邏輯地址的映射，保證通信組的持續性，使信息在虛擬局域網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。

通信服務質量（QoS：QualityofService）是為滿足工業自動化實時控制提出的一系列通信特征需求，例如響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、數據不穩定性和丟包率等。不同的應用對通信的服務質量需求不同，因此，實際應用時，應保證工業現場相對較少但時間要求較高的數據的實時性，例如，對控制信號的要求較高，應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調整，例如，改變設定值等可采用非實時通信。引入通信質量服務還可防止對網絡的非法使用，例如，對控制層現場控制設備的訪問和對監視數據單元終端的訪問等。工業控制應用時，對數據進行優先級分類，重要數據有高的優先級，從而使通信的服務質量得到兼顧。

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