以太网作为现场总线在实时控制中的应用前景

1.引言
选用以太网协议作为楼宇自动控制的现场总线标准是从事建筑电气设计工作的工程师长期以来的梦想。过去，由于基于IEEE803协议的以太网各节点之间在所谓“载波侦听/多路存取/碰撞检测”方式下共享总线介质，实现点对点通信的时间的不确定性使以太网一直只能是作为办公自动化网络的技术来使用，而被认为是不适用于实时控制要求。
现在，以太网技术本身的进步加上控制系统设计上的技巧，使以太网作为现场总线的具体应用已经在工业自动控制领域被逐步接受。本文试图通过对以太网用作自动控制技术现场总线标准的分析，对以太网在建筑设备自动控制领域的应用前景及相应采取的设计技术措施进行一个描述。

2.以太网用于建筑设备自动控制领域的优势
把以太网应用于自动控制领域至少具有以下优势：
·可以利用通用的硬件设备，可选设备的品种型号丰富；
·采用广泛使用的标准协议，具有跨平台集成的良好技术支持；
·数据传输速率高，现在传输速率在100Mbps的快速以太网已经非常普及，Gigabit以至于10G的高速以太网也已经问世。今后，凡采用以太网的场合都可以随着以太网技术的升级而享受更高技术所带来的便利；
·非常容易实现与其它操作模式或通信在数据链路层的集成，并有条件与已有的办公自动化网络和谐地共存于一个物理网，使通过办公自动化网络的远程终端监视建筑设备运行状况的实现成本大幅度降低；
·通过以太网连接的InterNet可以与世界上任何地方的网络连接，可方便并廉价地实现远程维护和远程诊断；
·控制网络所采用的信号传输物理介质和广泛采用的综合布线的材料兼容，在施工中可以大大简化相应的施工节拍和技术措施。

3.各种应用对现场总线的实时响应能力的要求
其实，“实时能力”在控制理论上是一个很具有弹性的度量指标。“实时”在很大程度上依赖于特定的应用，以及控制闭环中所需使用的元器件，从自控的观点上看，可以粗略地作如下描述：
·工业上定位控制对实时响应的要求在1~4毫秒的时间范围内；
·建筑自动控制中的开关控制，对实时响应速度的要求是在人的感觉上不要在操作和被控设备实际动作之间产生明显的延迟，这个时间大约在几十毫秒到100毫秒数量级上；
·建筑自控中的空调相关调节控制，因空调系统本身的时间惰性很大，所以其实时响应速度要求在秒级即可；
·在现场控制器和中央控制站之间的数据通信所需的循环时间要求在秒级。事实上，它有时不是(也不必)采用循环模式，而是采用事件驱动模式(如中断方式)就行了；
·远程服务和远程诊断所需要的服务响应时间，因其信息从网络边缘传递到接听人员本身所花的时间要远远超过现场总线的循环时间，所以这时现场总线的响应时间在秒级还是在更长一些的十秒级时间对总体响应时间来说已经微不足道了。
当前在楼宇自动控制领域中，采用DDC(直接数字控制器)的形式几乎是一统天下，而PLC(可编程序控制器)主要用在工业自动控制领域。对它们各自可提供的实时响应时间范围可作如下描述：
·现有最优秀的现场总线可实现的循环时间约在50微秒。比这更严格的实时响应时间要求在目前技术条件下仍需要依赖于特殊的硬件设备，现有的现场总线技术尚不能满足这样的要求；
·纯PLC硬件一般可提供的循环时间在几十微秒到不大于10毫秒的范围内可调节；
·DDC的循环时间约在毫秒级。目前常用较好品牌的DDC设备，其内置CPU的处理能力较强、速度较快，但单个DDC所带的I/O口也较多。有些品牌的DDC内置CPU等级较低，但相应I/O口数量也较少。对单一端口的性能而言，其循环时间上的差异并不象它们CPU性能之间的差异那么大。从其毫秒级响应速度上来说，无论是DDC还是PLC，都能满足建筑设备自动控制的要求。但在CPU能力有限的DDC试图加带较多扩展I/O端口的情况下，其循环响应速度就应当值得自控系统的设计者注意了；
·跨越PLC或DDC现场控制器进行的控制(如反馈信号检测一端连接的现场控制器和执行信号输出一端的现场控制器不是同一个，或多个现场控制器的多点协同控制等)的情形下，控制闭环的实时响应时间严重依赖于现场总线的循环速度，这也是目前建筑设备自动控制中影响系统响应速度的一个瓶颈，如要求位于地下层的水泵控制屋顶水箱水位的情形。

4.制约现场总线系统实时响应能力的因素
不论是环形总线还是树形总线，不同的现场总线拓扑结构对总线传播时间的影响不大，而信息传输的波特率和协议效率对系统实时响应能力的影响则要大得多。在采用循环方式的系统中，这二个参数主要受系统循环周期的影响，而现场总线周期时间是反映通信速度和协议效率的最直接的窗口。除此之外，
4.1 总线占用模式
许多不同的操作模式被定义用于控制工程，它们用于不同的通信任务，当然也可以同时使用多种模式：
·主-从模式(Master-slave Process)。它采用循环或事件驱动的方式传输I/O数据，这是当前现场总线的典型应用模式；
·发布-查阅模式(Publisher-subscriber Process)。这种模式在固定主-从模式不适用时可用于控制器之间的有规则通信。发布站在发送信息时不关心信息将发往什么地方，只有查阅站不断关心并监视着总线上的通信内容。发布站可以选择广播、组播或单播的方式发布信息。由于采用组播方式时信号帧可以在一旦到达以太网交换器就被评判出来，因此可以减少网络设备接收队列的负荷。单播方式则可更进一步利用网络交换器非冲突域之间点对点通信的并行处理能力，增加实际有效带宽。发布-查阅模式还可以做成双主导或多主导的通信模式；
·按需发送模式(Data Communication as Required)。这种方式下的发送通信流只有当有实际控制信息交换时才发生，用这样的方法来完成所有通信服务的执行和参数交换。
4.2 CPU和总线之间数据交换时间的影响
仔细分析控制系统与分散的现场设备可以发现，控制系统是由DDC、PLC或PC周期性地处理一个或数个应用程序(例如监视或控制)的。现场控制设备往往被设计成插卡式的，内装微处理器芯片。现场控制设备与系统主控制站或其它现场控制器之间的数据信息交换经由现场总线完成。在控制器和总线之间需通过一个共享的内存区域(Dual Port RAM或简称DPRAM)来进行数据传递，这个共享内存空间是被CPU和总线交替占用的，在她们之间交换数据必然存在一个等待时间。
还有一个经常被忽略的问题是在控制器CPU和通信芯片之间的数据交换瓶颈。当CPU的速度达到3GHz的时候，控制器内部传统的ISA总线或PCI总线根本跟不上这个速度，20~30%的CPU性能就这样被损失掉了。
4.3 总线循环时间的影响
另一方面，目前最简单也是最通常采用的现场总线系统通信方式是主-从模式下的循环数据交换方式，主站和分布在不同物理位置的从站设备之间通过循环方式占用总线的控制权。在这种框架下，数据交换速度与总线占用机制是通过轮询、时间片、还是令牌原理已经关系不大，而总线循环的时间周期则是影响系统实时响应速度的关键。
CPU和现场总线通过DPRAM这个接口进行数据交换，主站把过程控制的控制参数通过DPRAM继而通过现场总线复制到从站，并从从站收集输入数据。在大多数情况下，为了达到系统的稳定性，数据必须经过CPU处理完毕才会复制到DPRAM，而这个时刻并不一定正是现场总线控制权转移到该设备的时刻，因此从数据准备完毕到把它送到总线上传送的时间之间有一个随机的延迟。在最不利的情况下，这个延迟要持续整个循环周期的时间。现场总线主站上典型的延迟时间范围约在0.1~3毫秒之间。
4.4 控制计算时间的影响
现场总线的性能一般和控制器的性能是相匹配的。在系统性能描述中的另一个关键的参数是在典型的应用下CPU完成相关控制任务计算所需要的时间。在快速系统中，如要求完成典型任务的控制计算时间在1毫秒以下时，我们必须在控制器中选用高性能的PC处理器。在一般速度的工业应用中，选用的控制计算处理时间在2~10毫秒之间。而对于典型的楼宇设备自动控制解决方案，其循环时间则在10~20毫秒甚至更大。
4.5 影响响应时间的其它参数
其它一些因素对总线循环周期的影响也不可忽视。在控制总线网段上的设备数量过多对系统响应时间的影响对在现场进行系统调试的工程师而言是既熟悉又无奈的事，虽然这时根据设备性能介绍资料上的描述，对单个网段最多挂接的现场设备的数量还远远没有达到。
现场总线协议规定的交换数据最大帧字节数也是一个值得讨论的话题，最大帧字节数规定过大显然会导致系统实时性能的下降，但最大帧字节数过小又使报头报尾占用的字节比例提高，有效数据报报文的长度缩短，影响实际通信数据的带宽。但总体来说，实时系统还是选择较短的数据报来提高它的实时性能。事实上，在某些情况下，维持系统主从站之间沟通所占用的负荷(所谓空载负荷)竟达到整个总线负荷的一半以上。
4.6 采用以太网现场总线的情形
上述各种影响现场总线循环时间的因素在各种传统现场总线协议的条件下是系统设计人员必须全面考虑并权衡的。然而在采用100Mbps以太网作为现场总线的场合，其超过通常现场总线传输速率4个数量级(典型现场总线的传输速率是几十kbps的数量级，如Lonworks是78.8kbps)的高速度足以把上面所述影响现场总线循环速度的因素掩盖到微不足道的程度，这时控制算法的运算时间将成为影响系统循环时间的决定因素。在这种情形下，传统的现场总线让位于以太网的趋势已经非常明显了。
为了能在实时控制的环境下使用，以太网也有需要进一步完善的地方，以满足现场总线各方面的需求。比如现场安装和设置参数的简易性、各设备厂商产品之间广泛成熟的兼容性、工业环境下的抗电磁干扰能力、相关的设备成本等等。

5.采用以太网进行实时通信的技术措施和限制
用于实时控制的以太网网卡与用于办公自动化的以太网网卡一样与操作系统兼容，同时它又象其它现场总线卡一样，在发送端提供内部优先级机制和缓冲器。这种机制保证在实时应用的以太网帧中得到足够的空余传输信道，而操作系统的以太网帧只有在有足够空闲的情况下才利用总线的“间隙”发送。
在接收端，所有收到的以太网帧都首先被检查是否与实时通信有关，与实时通信相关的帧将被过滤出来优先处理，其余的帧则在检查后送到实时系统范围之外的操作系统处理。
现有的商用交换式集线器均支持100Mbps全双工工作。发送帧以恒定的延时传送到接收器。交换式集线器的运作机制可以保证在不同的点对点通信并发时避免帧的碰撞，因而在这种情况下只存在延时。实际上，只要在循环控制系统中保证每一个发送的信息在下一个循环开始前到达目的地就可以了。而何时到达、以何种顺序到达在这里已经是不重要的了。因此，只要选用的设备的帧发送率满足循环时间，设计的以太网实时通信能力也就是可以满足的。
与广泛采用的使以太网帧可以在全世界范围内传送所必须的TCP/IP协议和UDP/IP协议相比，实时通信的帧的发送目的地一般不会离开本地的子网。因此TCP/IP协议和UDP/IP协议所用的传输层报头和网络层报头在实时系统中就可以被省略，其设备可以直接通过MAC地址来寻址。以太网帧本身的结构特征足以让它与其它协议帧共存于一个网段上，并被接收设备识别出来。如果必要，实时帧也可以加上TCP/IP或UDP/IP报头，用于跨子网的通信传输。
在现场总线应用上选择以太网协议受到以下一些限制：
·所有端接2个终端设备(控制器或工作站)以上的集线器必须采用交换式集线器(Switch HUB)，用于距离中继功能的集线器或中继器则不受此限；
·终端设备和交换器之间的距离不能超过90M(含跳线不超过100M)；
·用于自动控制的实时通信网段和办公自动化网段应分别属于不同的虚拟子网，以严格隔离其广播域。
6. 结论
·在建筑设备自动控制领域采用以太网作为现场总线的优势是明显的；
·目前，制约以太网在自动控制领域应用的技术局限已经突破，仍然存在的一些制约条件不会在本质上对应用产生影响，尤其是单个网段90M的距离限制在楼宇设备自动控制领域不会成为使用以太网现场总线的障碍；
·以太网逐步取代现有各种现场总线而成为自动控制现场总线主流的趋势已经初见端倪。


参考文献
[1] Ethernet Communication in Real Time, www.pc-control .net
[2] Cycle Time is not Everything, www.pc-control .net
[3] 陈世和：综合布线的适用性，《建筑电气》1999 第2期