李 侃

（蘭州市蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730014）

1 工業(yè)控制網(wǎng)絡的簡介

工業(yè)控制網(wǎng)絡是計算機網(wǎng)絡、通訊及其自動控制技術之間相互結合，不斷形成的產(chǎn)物，是自動控制領域的一種網(wǎng)絡技術。工程控制網(wǎng)絡技術在不斷發(fā)展，它能傳輸設備之間的實時數(shù)據(jù)，滿足一個區(qū)域內(nèi)所有用戶共享資源和協(xié)調(diào)操作的需求[1]。

由于無線網(wǎng)絡的傳輸速度加快以及工業(yè)領域無線網(wǎng)絡產(chǎn)品的出現(xiàn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中運用無線網(wǎng)絡的機會在不斷增加，應用無線網(wǎng)絡有很多優(yōu)點，可以使網(wǎng)絡控制系統(tǒng)擴展到光纜或者電纜不便于鋪設的特別環(huán)境中，而且還可以運用到控制網(wǎng)絡的節(jié)點有移動的環(huán)境中，在實際的操作中無線網(wǎng)絡還可以補充和備份有線網(wǎng)絡。

2 工業(yè)控制網(wǎng)絡的特點

2.1 實時性

實時性是整個工程控制系統(tǒng)中的重要指標，實時所表現(xiàn)出的就是當某件事情發(fā)生后，系統(tǒng)一定時間內(nèi)可以明確的作出反應。

獲取網(wǎng)絡資源的困難有：很難預測到需要網(wǎng)絡資源的節(jié)點；很難控制節(jié)點需要網(wǎng)絡資源的時間；很難預測到節(jié)點是否需要節(jié)點等。這些因素無疑給傳輸?shù)膶崟r性帶來了一定的難度。

工業(yè)控制主要運用在工業(yè)現(xiàn)場，主要傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，是一種通訊網(wǎng)絡。在工業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境復雜多變，工業(yè)設備儀器種類豐富，工業(yè)運轉過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型及涉及的運算程度復雜，實現(xiàn)工業(yè)控制有一定的難度。以下我們對工業(yè)現(xiàn)場需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分類：

1）實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)

實時數(shù)據(jù)對時間的要求高，必須把時間精確到毫秒，不容許有按秒計算的延誤。而且要保證數(shù)據(jù)及時更新，在一定的時間內(nèi)某一數(shù)據(jù)沒有發(fā)揮出其價值，該數(shù)據(jù)就沒有使用的意義了，就需要重新產(chǎn)生需要的數(shù)據(jù)，沒有重發(fā)的要求的。實時數(shù)據(jù)占用很少部分的帶寬，數(shù)據(jù)量也不是很多。具體的實時數(shù)據(jù)有各種檢測器的信號、一部分系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

非實時數(shù)據(jù)沒有實時數(shù)據(jù)對時間的要求嚴格，可以接受一定程度的數(shù)據(jù)延誤，但是非實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比較大，也在帶寬上占用較多，對非實時數(shù)據(jù)要求保存，不允許丟失。具體的非實時數(shù)據(jù)有用戶的編程數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)等。

2）周期性數(shù)據(jù)、突發(fā)性數(shù)據(jù)和隨機性數(shù)據(jù)

工業(yè)環(huán)境中周期性數(shù)據(jù)存在很多，一般情況下都是相對固定的信息傳遞，在時間上也是可以預測的，傳送的數(shù)據(jù)是實時數(shù)據(jù)，有一定的優(yōu)先級，占用一定的帶寬，但數(shù)據(jù)的通信量不多。具體的周期性數(shù)據(jù)有通過傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、通過控制器傳送的控制信號等[2]。

突發(fā)性數(shù)據(jù)發(fā)生的時間是難以預測的，它所傳送的數(shù)據(jù)為實時數(shù)據(jù)，有一定的優(yōu)先級，但是數(shù)據(jù)的通信量不大。具體的突發(fā)性數(shù)據(jù)有報警信息、事件的通知等。

隨機性數(shù)據(jù)發(fā)生的時間也是不可預測的，但是它傳送的是非實時數(shù)據(jù)且優(yōu)先級低，數(shù)據(jù)的通訊量是相當大的。具體的隨機性數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)庫的管理、程序的下載上傳等。

2.2 優(yōu)先級

無線網(wǎng)絡上的節(jié)點并不是公平的爭取網(wǎng)絡資源，網(wǎng)絡資源總是先應用在更需要的的節(jié)點上，無形中就會產(chǎn)生優(yōu)先級。因為網(wǎng)絡資源并不是無線的，通過優(yōu)先級可以保證信息的有序傳送，從而實現(xiàn)信息的實時性。

2.3 可靠性

傳送的信息必須保證其可靠性，而在工業(yè)現(xiàn)場由于環(huán)境復雜，機器設備噪聲會產(chǎn)生一定的干擾，對網(wǎng)絡信息的可靠很難保證，這就需要相應的措施來避免信息傳送的錯誤，保障整體系統(tǒng)的運作。

3 常見工業(yè)控制網(wǎng)絡的實時性分析

3.1 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的，它可以實現(xiàn)在微機化測量控制設備間的雙向串行多節(jié)點的數(shù)字通訊系統(tǒng)，能保證不同節(jié)點之間的通訊和協(xié)調(diào)，并且能完成實時控制信息和非實時控制信息的通信。現(xiàn)場總線系統(tǒng)就是把網(wǎng)絡中的節(jié)點連接起來，使其之間可以進行溝通、通信，從而完成整個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的任務。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)相比于現(xiàn)場總線，所提供的基本框架式是開放式的，能實現(xiàn)更全面的信息集成，全面到管理層和各個現(xiàn)場控制層。之后隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，在以太網(wǎng)領域也引入了很多新的技術，對以太網(wǎng)的實時性有很大的提高。

3.3 工業(yè)控制網(wǎng)絡的實時性

實時性實質(zhì)就是約束傳輸?shù)男畔ο到y(tǒng)的反應時間，要保證系統(tǒng)的正確性必須從兩方面入手,一方面要保證系統(tǒng)處理信息的結果正確，另一方面要控制系統(tǒng)產(chǎn)生結果的時間，只有這兩方面都有保障才能使得系統(tǒng)是實時系統(tǒng)。系統(tǒng)必須對輸入的信息在規(guī)定時間內(nèi)做出反應，即使反應的結果顯示正確，如果時間上沒有控制好，還是認定為系統(tǒng)操作失敗。總之，實時應用對時間的要求高，在規(guī)定的時間內(nèi)處理收集到的信息，并及時作出反應，這種數(shù)據(jù)只在限定的時間內(nèi)有意義，所以要控制好時間范圍。

在工業(yè)控制網(wǎng)絡中，實時性具體上要保證信號的輸入、運算及輸出都控制嚴格的時間，并結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況及時做出相應的處理。避免時間處理不當導致的嚴重后果。網(wǎng)絡延遲時間可以用來描述系統(tǒng)的實時性，也是測試整個控制網(wǎng)絡的實時性指標。

3.4 現(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制分析

在工業(yè)企業(yè)實際的生產(chǎn)中，必須保證整個控制網(wǎng)絡的實時性和可靠性，為了提高控制網(wǎng)路的實時性和可靠性，可以采用介質(zhì)訪問控制的方式，其中現(xiàn)場總線的MAC層存在很大的決定因素，也設置了信道使用權的分配方式[3]。

我們都知道現(xiàn)場總線網(wǎng)絡只有一條通信通道，網(wǎng)絡上的節(jié)點共享這條通道，如何使用這僅有的通道成為重要的問題。以下主要分析一種現(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制方法。

LonWorks適應總線型、星型、環(huán)形及混合型等拓撲結構，也適應雙絞線、電力線、無線電波、紅外線等傳輸介質(zhì)，而收發(fā)器和介質(zhì)的選擇依據(jù)現(xiàn)場的實際情況。LonWorks利用的是“先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，延時重發(fā)”的方式，它的MAC層是以CSMA/CD為基礎的，這種方式的算法簡單，可靠性也能有所提高，且能保證低中負荷的實時性。

在使用LonWorks總線時，首先要檢查在一定周期內(nèi)內(nèi)檢測通道是不是處于空閑的網(wǎng)絡狀態(tài)，要知道節(jié)點的發(fā)送是必須占用一定的通道的。其次增加一定的優(yōu)先級時間片，保證一定優(yōu)先等級，因為優(yōu)先級高的情況下所加的時間片就會少。接著根據(jù)網(wǎng)絡積壓參數(shù)產(chǎn)生的隨機等待時間片，在實踐延長結束的情況下，網(wǎng)絡還保持空閑，節(jié)點就要以同樣的概率發(fā)送報文。如果節(jié)點在檢測的時候有信息發(fā)送，在接受到信息之后再進行MAC的算法操作。這種方式能使介質(zhì)訪問在負載輕的情況下得到最小化的延遲，可以減少一定的沖突，但是不能消除沖突。

4 結束語

網(wǎng)絡資源要實現(xiàn)網(wǎng)絡資源各個節(jié)點的共享，就要解決信號發(fā)送過程中的渠道競爭、信號沖突等問題，盡可能的避免信號傳輸形成的等待延時。為了工業(yè)控制網(wǎng)絡的有效運轉，必須保證網(wǎng)絡實時性，網(wǎng)絡時延過長在控制系統(tǒng)的性能上會產(chǎn)生不利的影響，或者會導致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，工業(yè)無線控制網(wǎng)絡中要特別解決實時性的問題。

[1]龔本治.工業(yè)無線網(wǎng)絡實時路由協(xié)議研究與實現(xiàn)[D].武漢理工大學,2009.

[2]魏旻,王平,王泉.工業(yè)無線控制網(wǎng)絡安全方法的研究與實現(xiàn)[J].儀器儀表學報,2009,04:679-684.

[3]宋興儒.工業(yè)無線/有線網(wǎng)絡的集成研究與實現(xiàn)[D].華東理工大學,2013.