什么是现场总线的实时通信技术

发布：2018-12-18 | 点击：人次

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工业控制通信网络的时间确定性是指通过传送网络的数据必须在预先确定的时间内从源节点传送到宿节点。在一个现场总线控制系统中，从现场变送器采集测量数据，需要经总线传送到PID控制模块，并将运算结果传送至控制阀，由于设定的采样时间是确定的，它不受网络传送其他数据的影响，只有这样，才能保证PID控制回路以固定的周期完成对该参数的控制。对于这种有实时控制要求的系统，通常要求网络从某一节点到另一节点的延迟时间小于2～4ms。

一、影响现场总线实时性的主要因素有下列几项。

①现场总线数据传输速率：传输速率高的系统具有高的实时性。

数据传输量：数据传输量少则实时性好。

从站数量：从站数量少，数据传输量少，实时性好。

主站数据处理速度：主站数据处理速度快，实时性好。

控制输入输出的方式：单机控制方式比现场总线控制方式的实时性好。

通信是否要经网关、网桥或路由器：经过这些设备传输数据的实时性差。

②主站应用程序的大小、复杂程度。它们将影响系统的响应时间。

二、可采用多种解决实时性的措施：

①减少网络通信的吞吐量，保证一旦有通信要求就能够立即实现通信。例如，在Foxboro公司的I/AS控制系统中，采用的以太网通信允许挂接节点数为1024个，以太网采用CSMA/CD协议。从本质看，该协议对解决通信冲突的方法不具有通信确定性的特性，即某一个节点获取发送权后，其他需要发送的节点只能等待，并不断地侦听网络是否空闲，当侦听到网络空闲时才能去竞争通信的发送权。由于侦听等待时间的随机性，因此，不能保证通信时间的确定性。为此，该系统规定允许zui多挂接32个节点，大大减少网络通信的吞吐量，使时间延迟在2ms以下，保证了网络通信的实时性要求。

减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分组中包含20字节IP报文头和20字节TCP报文头，在TCP的连接建立后，分组的报文头是无效的通信，不必在每个分组中重复发送，因此，可重构一个小报文头，减少通信的传输字节。通常，采用TCP/IP报文头压缩，使分组报文头字节减到10个字节。

②减少通信冲突的发生，保证通信的实时性。例如，采用星形网络拓扑结构的、具有交换功能的智能式集线器。挂在该网络上的每一个节点设备常驻于其自身的网段，而所有的网段均连接到交换式集线器上，该集线器提供缓冲存储器，并具有侦测哪个网段需要传输数据的功能。虽然该通信方式存在时间延迟（不大于1ms），但因通信冲突被减至zui低，满足了通信实时性要求。此外，研究冲突解决方法也可减少报文延迟，例如，实用的以太网报文冲突解决方法有CSMA/DCR及改进型CSMA/MDCR、CSMA/LDCR。CSMA/DCR采用确定性二叉树寻址方法，按节点地址采用先序遍历方式（PreorderTraversal）解决冲突。CSMA/MDCR采用发送时间分信息通知和信息发送两部分，某节点的信息通知成功后，可连续发送几个信息的方法解决冲突，而CSMA/LDCR采用动态二叉树寻址方法，当信息松弛期小于某限值才发送信息，由于这些方法是动态分配优先级，因此，能够有效减少冲突。

③采用全双工通信模式和交换式以太网。全双工通信模式将发送和接收分开，这种通信方式具有通信效率高、控制简单的特点，能够满足实时性的要求，但通信结构复杂，成本高。交换式以太网将以太网分为若干微网段，它增加每个网段的吞吐量和带宽，每个微网段作为子冲突域由交换机隔离，交换机各端口间可同时形成多个数据通道，使每个节点都有各自单独通道与其他节点连接，从而使数据发送和接收不受冲突的影响，使共享带宽成为独享带宽，提高了实时性。

④采用塌缩的通信模型和通信协议。现场总线控制时，ISO制订的开放系统互连参考模型中网络层等高层通信协议是不需要的，因此，将现场总线设备直接与现场总线网络连接，就可以减少在高层之间信息或报文传输服务及封装和解装等所花费的时间开销，为此，建立了多种简化的通信模型。例如，基金会现场总线的通信模型只采用OSI通信模型的物理层、数据链路层和应用层，并在上面增加用户应用层，它将第二层到第七层合并为通信栈。制造自动化协议MAP（ManufactureAutomationProtocol）分为全MAP（FullMAP）、小MAP（MiniMAP）和增强性能结构MAP（EPAMAP）等。其中，小MAP采用OSI通信模型的*层、第二层和第七层，而EPAMAP既支持MAP，也支持小MAP，当有实时性苛刻要求时可采用小MAP，满足了实时性要求。

⑤选用合适的现场总线仪表，减少通信量。在现场总线控制系统中选用合适的现场总线智能仪表，可以减少在现场总线中的通信量。例如，PID功能模块可设置在智能变送器、智能阀门定位器或上位机控制器内。组成单回路控制系统时，如果PID功能模块设置在智能阀门定位器内，因PID控制模块与AO输出模块在同一设备，内部的信息交换不占用现场总线的通信量，因此，可减少现场总线的通信任务，提高实时性。如果PID功能模块设置在其他设备内，就会增加现场总线的通信量。

⑥采用发布方/预约接收方的通信结构和设置优先级。通信总线可采用多种通信结构，例如发布方/预约接受方、客户/服务器、源/宿通信结构。

发布方/预约接收方的通信结构是一个或多个数据源（即发布方）向多个数据接收点（预约接收方）发送数据的zui佳解决方案。由于预约接收方已经对有关的发布方信息进行了预约（组态），因此，发布方知晓接收方的地址和对信息的要求，这样，节点之间的通信有如点对点的通信，具有实时性强的特点。该通信方式支持多点通信，可为多个预约接收方发送信息，因此，通信效率提高，对分布式的控制应用尤为适用。在分布式自动化接口IDA（InterfaceforDistributedAutomation）组织公布的RTPS（RealTimePublish/Subscribe）通信协议中就采用了发布方/预约接收方的通信结构。基金会现场总线中的实时数据传送也采用发布方/预约接收方的通信模式，对现场设备实时数据进行周期通信，满足实时要求。对实时性要求不高的参数整定、手自动切换等操作则采用非周期的客户机/服务器通信方式，减少周期通信吞吐量，提高了系统的实时性。

在工业控制应用时，对数据进行优先级分类。对重要数据的通信设置为高优先级，从而保证实时数据的即时传输。例如，以太网数据帧头使用3个位来表示数据传输的优先级，在IP帧中也设置3～4位的优先级标志等。

⑦采用虚拟局域网和引入质量服务。使用虚拟局域网将不同功能层、不同部门分开，提高网络整体安全性和简化网络管理。由于它通过广播过滤器建立通信组，而不采用物理地址，因此，当某设备在交换机范围内变动时，广播过滤器能够自动完成物理地址和逻辑地址的映射，保证通信组的持续性，使信息在虚拟局域网定义的端口中的传输时延大大减少，同时，由于其他虚拟局域网不能收到该广播信息，也减少了不必要的广播流量，提高了实时性。

通信服务质量（QoS：QualityofService）是为满足工业自动化实时控制提出的一系列通信特征需求，例如响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、数据不稳定性和丢包率等。不同的应用对通信的服务质量需求不同，因此，实际应用时，应保证工业现场相对较少但时间要求较高的数据的实时性，例如，对控制信号的要求较高，应尽量减小其延迟时间，满足其实时性要求。但对一些要求不高的参数调整，例如，改变设定值等可采用非实时通信。引入通信质量服务还可防止对网络的非法使用，例如，对控制层现场控制设备的访问和对监视数据单元终端的访问等。工业控制应用时，对数据进行优先级分类，重要数据有高的优先级，从而使通信的服务质量得到兼顾。

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