周 侗 胡靜濤 楊志家

(中國科學院沈陽自動化研究所1，遼寧 沈陽 110016;中國科學院研究生院2，北京 100039)

0 引言

運動控制系統(tǒng)中的控制任務分散在不同的網(wǎng)絡節(jié)點中，控制任務的實現(xiàn)需要節(jié)點間交互大量的信息。控制任務對信息傳遞的確定性和實時性提出了很高的要求[1－2]。同時，控制任務的執(zhí)行與網(wǎng)絡通信也是相互影響的，較高的信息采樣頻率會提高系統(tǒng)整體控制性能，但也會增加網(wǎng)絡調(diào)度的負擔，甚至會反過來影響控制任務的運行。

運動控制網(wǎng)絡調(diào)度方法主要研究如何更好地協(xié)調(diào)控制任務的需求和網(wǎng)絡調(diào)度性能的關(guān)系，在避免網(wǎng)絡沖突的基礎上，滿足控制任務在通信確定性和實時性方面的需求。其研究內(nèi)容主要包括兩個方面:①信息傳輸?shù)拇_定性，即研究如何有效控制節(jié)點對通信通道的訪問，以避免網(wǎng)絡沖突現(xiàn)象的發(fā)生;②信息傳輸?shù)膶崟r性，即研究如何給網(wǎng)絡中的某個節(jié)點中的某個任務分配相應的時間和網(wǎng)絡資源，并對相關(guān)資源的使用給予嚴格的時間約束，從而滿足系統(tǒng)整體上對時間和網(wǎng)絡資源的需求[3－4]。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術(shù)也提供了相應的網(wǎng)絡沖突管理機制，如以太網(wǎng)使用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測機制(carrier sense multiple access with collision detection，CSMA/CD)協(xié)議來解決網(wǎng)絡沖突問題。在追求高速度、高精度、高智能化的運動控制系統(tǒng)中，這些機制已不能滿足系統(tǒng)對網(wǎng)絡平臺在確定性和實時性等方面的要求。本文針對運動控制系統(tǒng)的特點，提出了一種解決運動控制網(wǎng)絡調(diào)度問題的方法。

1 運動控制網(wǎng)絡技術(shù)

目前，主流運動控制網(wǎng)絡模型大多以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎，如 EtherCAT、Sercos-III、Powerlink 等，并建立在開放系統(tǒng)互連(open system interconnection，OSI)七層網(wǎng)絡模型的基礎上。

運動控制網(wǎng)絡系統(tǒng)有著自己的特點:一是網(wǎng)絡規(guī)模較小，大多在32點到64點之間;二是工作周期短，一般在毫秒和微秒的量級;三是對時鐘同步精度要求高，較高的同步精度要求應該在100 ns以下;四是在對通信實時性水平要求更高的場合，網(wǎng)絡通信協(xié)議的處理需要通過硬件(如ASIC)解決方案來實現(xiàn)[5－6]。

大部分運動控制網(wǎng)絡技術(shù)采用了OSI七層網(wǎng)絡中的三層結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，OSI模型中其他層的部分功能被分配到應用層和數(shù)據(jù)鏈路層中實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 基本運動控制網(wǎng)絡協(xié)議模型Fig.1 Basic motion control network protocol model

運動控制應用在速度、通信速率、控制精度等方面的需求對運動控制網(wǎng)絡也提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)已不能滿足運動控制應用的需求。EtherCAT和SynqNet網(wǎng)絡技術(shù)擴展了IEEE 802.3規(guī)范定義的幀格式，開發(fā)了特殊的以太網(wǎng)通信控制器，大幅度提高了網(wǎng)絡帶寬利用效率。為了進一步提高運動控制網(wǎng)絡的性能，一些公司還推出了專用以太網(wǎng)通信控制芯片，如德國BECKHOFF公司推出了專用于EtherCAT的ET1200和ET1100以太網(wǎng)控制芯片，而Profinet總線中的同步實時通信方式也必須在專用以太網(wǎng)控制芯片上才能實現(xiàn)。以上所述運動控制網(wǎng)絡技術(shù)雖然都基于以太網(wǎng)技術(shù)，但并不能實現(xiàn)互連互通，且個別技術(shù)必須借助于特殊的硬件解決方案才能發(fā)揮作用。

從網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)來看，運動控制系統(tǒng)常采用星型拓撲、總線拓撲和環(huán)形拓撲等。其中，星型拓撲因其控制簡單、總線拓撲因所需要的電纜數(shù)量少而得到廣泛應用，如EtherCAT就常用環(huán)形總線拓撲(即菊花鏈結(jié)構(gòu))，如圖2所示。在環(huán)形總線拓撲結(jié)構(gòu)中，當總線中間出現(xiàn)一點故障時，系統(tǒng)運行不會受到影響。

圖2 環(huán)形總線拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic drawing of the ring bus topological structure

另外，從安全的角度考慮，運動控制網(wǎng)絡應該與外部網(wǎng)絡相隔離。外部網(wǎng)絡訪問運動控制網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點時必須通過“網(wǎng)關(guān)設備”來進行，網(wǎng)關(guān)設備一般為工程師站或主控制器。

2 網(wǎng)絡調(diào)度模型設計

分析運動控制網(wǎng)絡調(diào)度模型需要從兩個層面進行，即面向通信介質(zhì)的調(diào)度和面向應用的調(diào)度。在面向通信介質(zhì)的調(diào)度層面上，不同類型數(shù)據(jù)的發(fā)送控制是由通信協(xié)議來控制的(不包括物理層的沖突避免機制，如CSMA/CD)。面向應用的調(diào)度是從工程師的視角看待調(diào)度問題。在這個網(wǎng)絡調(diào)度層面上，數(shù)據(jù)的發(fā)送控制是由應用程序來控制的。調(diào)度算法主要關(guān)心控制任務的工作周期、系統(tǒng)范圍內(nèi)輸入/輸出數(shù)據(jù)配置、設備參數(shù)的訪問操作、系統(tǒng)可靠性設計等[7－8]。本文主要研究面向通信介質(zhì)的網(wǎng)絡調(diào)度模型。

2.1 通信協(xié)議框架結(jié)構(gòu)設計

通信協(xié)議框架結(jié)構(gòu)是指通信協(xié)議部分的結(jié)構(gòu)定義，是網(wǎng)絡調(diào)度實現(xiàn)的基礎。為了支持面向通信介質(zhì)的調(diào)度模型，本文在應用層和數(shù)據(jù)鏈路層之間加入了網(wǎng)絡調(diào)度管理子層。網(wǎng)絡調(diào)度管理子層的出現(xiàn)使得應用層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)交換體現(xiàn)出“柔性關(guān)聯(lián)”的關(guān)系，即應用層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)交換過程都經(jīng)由“網(wǎng)絡調(diào)度管理子層”進行緩沖和管理。運動控制網(wǎng)絡調(diào)度模型如圖3所示。

圖3 運動控制網(wǎng)絡調(diào)度模型Fig.3 Motion control network scheduling model

網(wǎng)絡調(diào)度管理子層負責網(wǎng)絡時鐘同步操作，且根據(jù)網(wǎng)絡調(diào)度算法來管理要發(fā)送到網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)。它同時維護一個實時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組、一個非實時數(shù)據(jù)隊列和一個重發(fā)數(shù)據(jù)隊列，實時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組用于保存待發(fā)的實時數(shù)據(jù)，非實時數(shù)據(jù)隊列用于保存待發(fā)送的非實時數(shù)據(jù)。需要注意的是，實時數(shù)據(jù)采用緩沖區(qū)保存方式，新的數(shù)據(jù)可以覆蓋舊的數(shù)據(jù);非實時數(shù)據(jù)采用先進先出(first input first output，F(xiàn)IFO)方式保存，當隊列已滿時，可以根據(jù)事先制定的原則清理最早進隊的數(shù)據(jù)。重發(fā)數(shù)據(jù)隊列用于保存待重發(fā)的非實時數(shù)據(jù)，重發(fā)數(shù)據(jù)同樣采用FIFO的方式保存。網(wǎng)絡管理子層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡管理子層結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the network management sub-layer

2.2 網(wǎng)絡調(diào)度方法實現(xiàn)

運動控制網(wǎng)絡調(diào)度算法主要是在用戶層設計并實現(xiàn)的，但其結(jié)果會下載到通信協(xié)議中，通信協(xié)議中的“網(wǎng)絡調(diào)度管理子層”會根據(jù)其結(jié)果來控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送。結(jié)合運動控制系統(tǒng)的特點，這里主要考慮以下幾個問題:時鐘同步方法、實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的傳輸管理、數(shù)據(jù)重發(fā)管理等，其中加入數(shù)據(jù)重發(fā)管理功能的目的是進一步提高運動控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。

時鐘同步方法在此采用IEEE 1588精密時鐘同步協(xié)議，時鐘同步報文作為非實時數(shù)據(jù)在非實時窗口中傳輸。為了減少時鐘同步報文對網(wǎng)絡傳輸負荷的影響，網(wǎng)絡設備不會在每個工作周期都進行時鐘同步操作，每個設備會根據(jù)時鐘偏差的情況自行確定時鐘同步操作的時機。設備發(fā)送到網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)，原則上與控制應用相關(guān)的數(shù)據(jù)屬于實時數(shù)據(jù)，其他諸如設備配置、時鐘同步報文等都屬于非實時數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡調(diào)度算法主要負責管理實時數(shù)據(jù)、非實時數(shù)據(jù)和重發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送。本文中的網(wǎng)絡管理算法引入了“時間窗口”與優(yōu)先級相結(jié)合的調(diào)度模式。每個工作周期內(nèi)除了“實時窗口”和“非實時窗口”外，還引入了“重發(fā)窗口”。在“實時窗口”中，為每個待發(fā)送數(shù)據(jù)分配了相應的時間段即SLOT，其取值保證了對應的實時數(shù)據(jù)的可靠傳輸且不會發(fā)生網(wǎng)絡沖突?！胺菍崟r窗口”用于發(fā)送非實時數(shù)據(jù)，包括參數(shù)訪問服務數(shù)據(jù)、時鐘同步報文等?！爸匕l(fā)窗口”主要解決通信過程中由于某種原因引起的通信失敗問題，包括丟包、幀錯誤等，這也是保證運動控制網(wǎng)絡通信可靠性而采用的一個重要舉措。在沒有數(shù)據(jù)需要重發(fā)時，“重發(fā)窗口”可用于發(fā)送非實時數(shù)據(jù)。在“非實時窗口”和“重發(fā)窗口”中，待發(fā)送數(shù)據(jù)根據(jù)各自優(yōu)先級的高低進行排隊;重發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級隨重發(fā)次數(shù)的增加而逐次遞增，當重發(fā)次數(shù)超過重發(fā)上限時則不再重發(fā)。網(wǎng)絡調(diào)度管理子層模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡調(diào)度管理子層模型Fig.5 Model of network scheduling management sub-layer

3 結(jié)束語

網(wǎng)絡通信的確定性和實時性是運動控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的研究熱點，而完善的網(wǎng)絡調(diào)度模型則是保證運動控制網(wǎng)絡通信確定性和實時性的基礎。

本文主要研究了面向通信介質(zhì)的網(wǎng)絡調(diào)度模型，結(jié)合運動控制網(wǎng)絡的特點，在通信協(xié)議中加入了網(wǎng)絡調(diào)度管理子層。網(wǎng)絡調(diào)度管理子層采用時間窗口形式，引入了“重發(fā)窗口”，并對不同特點的數(shù)據(jù)進行分類管理和發(fā)送，考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、確定性和網(wǎng)絡帶寬利用率之間的平衡。實際應用表明，該網(wǎng)絡調(diào)度方法運用效果良好，達到了預期目標。今后研究工作將進一步完善該調(diào)度模型，提高其實用性。

[1] Eker J ，Hagander P，Arzén K E.A feedback scheduler for real time control tasks[J].Control Engineering Practice，2000，8(12):1369 －1378.

[2] Chen Jiming，Wang Zhi，Sun Youxian.A basic study on algorithm of realtime schedule table for fieldbus[C]//Intelligent Control and Automation，Proceedings of the 4th World Congress on，2002:1760 －1763.

[3] Yin Jinyong，Guo Guochang.An algorithm for scheduling aperiodic real-time tasks on a static schedule[C]//ICIC’09，Second International Conference on，2009:70 －74.

[4] 陳丹丹，夏立，王海峰.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡調(diào)度算法的研究現(xiàn)狀與展望[J].化工自動化及儀表，2008，35(2):1 －6.

[5] 王艷，陳慶偉，樊衛(wèi)華，等.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制與調(diào)度協(xié)同設計的研究進展[J].兵工學報，2007，28(1):101 －106.

[6] Feng Xia.Integrated feedback scheduling of networked control systems[J].Journal of Dynamics of Continuous Discrete and Impulsive，System Series B，2006.

[7] Marti P，F(xiàn)ohler G，Ramamritham K，et al.Improving quality-ofcontrol using flexible timing constraints:metric and scheduling issues[J].Real-Time Systems Symposium，2002.

[8] Gerard L，Nicolas R.Real-time communications over broadcast networks:the CSMA-DCR and the DODCSMA-CD protocols[J].INRIA Report RR-1863.