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1、集散控制系统中通讯子网的实时性问题研究在现代工业控制系统，尤其是DCS集散控制系统中，通信子网的实时性起着至关重要的作用。本文讨论了在各种拓朴结构及复合拓朴结构下，几种常用存取控制方法及通讯协议的实时性问题。并以各著名品牌的DCS为例比较了其处理实时性问题的不同方法。对于研制集散控制系统及基于网络的控制系统提供了有效的选择。1“实时性”是集散控制系统一项十分重要的性能指标，通常采用“响应时间”来定量描述。响应时间是指某一系统对输入作出响应所需的时间。响应时间越短，就标志着系统的实时性越好。集散控制系统实时性有两级含义。第一级是指基本控制器的实时性。第二级是指通讯子网的实时性。集散控制系统中具有
2、通信功能的基本单元通过通信子网联系在一起，这些单元称为“站”。当某站向通信子网请求通信时，对响应时间是有要求的。不同的站对实时性的要求可能不同，同一站中不同通信任务对实时性的要求也可能不同。一个集散控制系统的通信子网可能是由几种拓朴结构采用不同协议的子网复合而成，这些不同层次子网所提供的响应时间的快慢也不同。2 存取控制方法与实时性的关系集散控制系统的各站要交换信息必须经过通信子网，通信子网成了各站的共享资源。对通信子网使用权的合理分配调度决定了对各站所提出的通信请求作出响应的快慢，也就是决定了子网的实时性。为了对通信进行控制和管理，避免发生通信的碰撞和冲突，采用了存取控制方式来管理通信。存取
3、控制又称访问控制，所控制的就是各站访问通信子网的时机。因此存取控制方法就是通信子网使用权分配调度算法的核心，它与通信子网的实时性有着密切关系。对于普通局域网而言，一般认为，网络资源利用率高，特别是信道利用率高的存取控制方法就是比较好的方法。工业控制局域网则有些不同，工业局域网对实时性要求比较高，对响应时间的要求有时比普通局域网快几百倍，这时只好牺牲部分信道利用率以保证实时性。如果把实时性要求表示成“时间约束条件”，将那些适用于普通局域网的存取控制方法用这些时间约束条件加以改造所形成的存取控制方法就是适用于工业控制局域网的存取控制方法。一项任务的实时性得到满足是指其响应时间小于规定的时限。一个站
4、的实时性合乎要求是指该站提出的所有通信任务在指定的时限内都能获得响应。整个通信子网的实时性符合要求是指分布在各子网上每一个站的每一项任务的实时性均得到保证，包括紧急任务的实时性也必须满足。要保证整个通信子网的实时性必须满足下列三个时间约束条件：(1) 限制每个站每次取得通信权的时间上限值。若超过此值，无论本次通信任务是否完成，均应立即释放通信权。这一时间约束条件可以防止某一站长期霸占通信子网而导致其它各站实时性恶化。 (2) 应当保证在某一固定的时间周期内，通信子网上的每一个站都有机会取得通信权，以防个别站因长时间得不到通信权而使其实时性太差甚至丧失实时性。只要有一个站出现这种情况，整个通信子
5、网的实时性就算没有达到要求。这一固定时间周期的长短是一个通信子网实时性好坏的衡量标准。 (3) 对于紧急任务，当其实时性要求临时变得很高时，应当给以优先服务。对于实时性要求比较高的站，也应当使它取得通信权的机会比其它站多一些。因此采用静态(固定)的方式赋予某些站较高的优先权，采用动态(临时)的方式赋予某些通信任务以比较高的优先权，则将使紧急任务及重要站的实时性得到满足。如果用这三条时间约束条件去衡量那些在局域网中常用的存取控制方式，将会发现有些存取控制方法(如ALOHA法、CSMA法、CSMA/CD法等)一条约束条件也不满足，有些存取控制方式(如时间片法、轮询法、请求选择法等)满足部分约束条件
6、，有些(如令牌总线法，令牌环法等)则满足全部约束条件。令牌环及令牌总线都是使用令牌进行存取控制。令牌在物理环或逻辑环上从一站传到下一站依次流动，只要令牌不丢失，任何一站都不会被遗漏，这就保证了每个站有个基本的实时性。令牌环及令牌总线限制了每个站占有令牌的时间，时间一到必须释放令牌。这将可以防止某个站长期霸占通信子网，也相当于为令牌循环周期规定了最大值，因而保证了每个站具有一定的实时性。令牌环与令牌总线都采用了存取优先级控制，给紧急任务以高优先级，使它得到优先服务，一路绿灯，快速送到目的站，这就保证了紧急任务具有高实时性。正是因为令牌环及令牌总线在实时性方面表现出这样的优良品质，所以被广泛应用于
7、集散控制系统中，而且令牌总线以其优良的实时性及可扩展性双重优势成为工业控制局域网中占主导地位的存取控制方法。著名的MAP规约及PROWAY协议都是以令牌总线作为基础的，许多新一代集散系统产品都采用了令牌总线存取控制方法。例如TDC-3000集散系统的LCN，UCN工业局域网都有采用了令牌总线的MAP规约，CENTUM集散系统的HF总线采用了令牌总线的PROWAY协议，I/AS集散系统的第一级、第二级通信子网也都采用令牌总线的MAP宽带协议及MAP载带协议，WDPF集散系统也采用了令牌总线方法配以时间片法。令牌环在集散系统中也有一定应用。例如Bailey公司的INFI-90集散系统、泰勒公司的M
8、OD-300集散系统都用到了令牌环。有一些普通局域网的存取控制方法只能满足部分时间约束条件，若单独使用，则无法全面满足实时性要求。如果把两种或几种存取控制方法组合使用，取长补短，常常可满足全部三条时间约束条件。例如把轮询法、请求选择法及时间片法结合起来，将会使三个时间约束条件都得到满足，同样可获得优良的实时性。在TDC-3000的BASIC集散系统中采用了把三种方法组合在一起的存取控制方法，周期性轮询、优先存取及限定通信时间三条调度算法组合在一起，使高速数据公路HW具有优良的实时性。有些存取控制方法一条时间约束条件也不满足，却用于工业局域网中。例如西门子公司的可编程序控制器的高速SINEC-H
9、1及日本三菱重工业公司的汽机锅炉集散控制系统中的Ethernet采用的存取控制方法都是CSMA/CD法。CSMA/CD一条时间约束条件也满足不了，但是在通信负载比较小的条件下，CSMA/CD法的响应速度很快，具有非常好的实时性，把时间约束条件换成通信负载约束条件，同样可以保证实时性。3 复合型通信子网各级的实时性分析 大型集散控制系统的通信子网通常是好几级的复合型拓扑结构。采用复合型结构有利于网络本身的扩展与延伸，具有良好的可扩展性。同时，采用复合型结构也是出于实时性的需要。如果从数据通信的角度来衡量美国国家标准局提出的工厂计算机控制系统的NBS分层模型，可知该模型的主要作用在于指出了各层通信
10、的特点性质的不同，因之对通信量大小需求不同，对实时性的要求也不同。公司级主要传送有关管理的信息，汇总了来自各工厂的信息，因此通信量大，信息报文长，传送距离可能比较远，而实时性要求比较低。针对这些特点，在公司一级建立的网络应当强调信道利用率，一般推荐选用TOP协议。然而设备级、装置级的通信特点则与公司级很不相同。因要实施对现场的直接控制，对实时性要求很高，过程数据都很短，信息报文不长。每个基本控制器都是一个相对而言独立的系统，有一定自治能力，需要交换的信息相对也比较少。但在紧急状态，短时间通信负荷可能很高，对通信量的需求也很大。针对这些通信特点，在设备级、装置级的通信网络应当是一种工业控制局域网
11、，强调响应时间，突出实时性。响应时间与信道利用率是两个相互予盾的指标。在NBS六层模型中如果采用同种通信协议来建立各层的通信网络，那么满足了信道利用率要求就满足不了响应时间的要求，或者相反。但若采用复合型结构，对于不同层次采用不同拓扑结构，选用不同的存取控制方法及通信协议来建立通信网络，就可以比较好地解决这一矛盾。NBS分层模型中，越向高层实时性要求越低，通信量需求越大，信息报文越长，对信道的利用率指标就应当更加强调。而越向低层情况相反，应当更加强调响应时间指标。上图给出的NBS分层模型各层推荐使用的MAP、TOP协议对照表正是反映了这一规律，现在各国生产的著名大型集散控制系统产品一般都是34
12、层的复合型结构，各层采用不同的协议，其各级实时性高低也都符合上述的规律。应当指出，对于某些实时性要求很高的应用场合，把其低层通信网络分成独立的几段各用一个子网去实现，将容易满足实时性要求，也可在低层设立双总线，一条为高速总线，一条为低速总线，对紧急任务由高速总线完成，普通任务由低速总线完成，这样也比较容易满足实时性的要求。4 通信协议与实时性的关系 通信协议数据链路层的MAC子层(存取控制子层)与实时性的密切关系在上面已作了分析，下面讨论通信协议的其余部分与实时性的关系。在通信子网上如果能多传输一些“有效数据”，尽量减少一些“辅助数据”的传输，将有助于通信子网实时性的提高，所谓的“有效数据”是
13、指两个用户进程之间真正需要交换的数据。凡不属于有效数据的其它的一律称“辅助数据”。辅助数据用来确保通信的正确进行，例如正式通信前的呼叫与应答，通信过程中的应答、数据的差错控制、对有效数据进行的帧格式包装及填充字符的加入等等都属于辅助数据。辅助数据随不同协议其用量不同。如果把有效数据字节数作为分子，把有效数据与辅助数据的总字节数据作为分母，则这一比值称为“有效数据传输率”。不同通信协议的有效数据传输率不同。局域网络如果采用异步通信，每传送一个字节，双方就要联络一次，因而有效数据传输率很低。采用同步通信，在一帧信息之内不必联络应答，有效数据传输率明显提高。采用同步通信协议的局域网其数据链路层提供两
14、种服务，即虚电路服务与数据报服务。虚电路服务又称为有连接有应答服务，而数据报服务称为无连接服务。它又分为无连接有应答服务与无连接无应答服务两种。这三种数据交换服务有效数据传输率相差比较大，其中虚电路服务建立连接时要呼叫应答，每传送一帧数据都要应答一次。无连接无应答服务，既不要建立连接，又不必在传送一帧后应答一次，它的有效数据传输率最高。 标准通信协议分为七层，层数愈多，对有效数据加封拆封的次数就愈多，花费的时间也就越多，经过包装后的帧也就变得越长。加封拆封包装多花费的时间，传输过长的帧多花费的时间都将使响应时间变慢，使有效数据传输率下降而影响实时性的提高。在工业控制局域网中越靠近生产对象的通信
15、子网，其通信协议的层数也变得越少，经常使用简化协议及塌缩结构。例如MAP规约为了支持设备级、装置级通信子网提出了MiniMAP协议，这就是一种塌缩结构，只有第一、二两层及第七层，其它层被取消。比如著名的现场总线HART也只有第一、二两层，高层以命令形式出现。西门子公司为S5系列可编程序控制器设计的SINEC-L、SINEC-H网络中最低层配置了RS-232C，TTU，RS-485等多种物理层协议以扩大适用面，而在高层却使用简化协议来提高实时性。 当然，通信协议的选择不仅仅考虑实时性，并不是有效数据传输率越高越好，也不是通信协议层数越少越好，这是一个必须综合考虑的问题，这里仅说明提高实时性的思路
16、而已。 5 提高实时性的其他方法 (1) 例外报告法 集散控制系统用于过程控制时，在通信子网中传送的是“过程数据”。过程数据的特点就是变化得很慢。一般的集散控制系统的通信周期在几十到数百毫秒之间，在两次通信间隔时间之内过程数据经常毫无变化。把毫无变化的数据，周期性地一遍又一遍地在通信子网中传输，不仅毫无意义，而且占用了可贵的通信资源。 如果对毫无变化或变化很小的过程数据不再这样重复传输，都以第一次传送的数据为准，只有当该过程数据发生明显变化，超出预先指定的范围时才进行传送，这将节省通信资源，有利于实时性的提高。 Bailey公司的NETWORD-90集散控制系统就采用了上述的方法，称之为例外报告法。例外报告法预先要规定一些范围条件，凡超出这些范围条件的过程数据就算构成“例外报告”，给予传送。凡是没有超出范围条件的过程数据就认为它没有变化，不生成例外报告，不予传送，而把上次数据保留下来，作为本次数据。显然例外报告法有利于实时
