以太网在实时控制领域中的应用
徐 彤
(信息产业部电子第39研究所西安710065)
摘 要：结合实例具体分析、阐述了以太网技术在实时控制领域中的应用以及未来发展的前景。
关键词：以太网；交换机；实时控制
随着网络技术的飞速发展，在控制领域掀起了一场技术创新的浪潮，这主要体现在控制系统的网络化和体系的开放性上。传统的控制系统大都采用现场总线技术，现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术。但是目前现场总线的发展并不尽如人意，其根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的，没有形成真正开放互联的系统。加上高速现场总线的进展较为缓慢，尚处于起步阶段。因此，人们把目光投向了发展迅速、应用广泛的以太网。
应用广泛是开放性的最重要的衡量指标，而以太网是应用最广泛的网络技术。并且，以太网的高速率是它的另一大优势。
1 以太网
以太网是最广泛使用的网络标准（IEEE802.3），它采用介质访问控制协议（MAC）的通信协议，即CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测协议）。以太网使用一种简单的算法（二进制指数后退算法）操作网络，在网络负载轻时几乎没有延迟。但以太网不支持任何报文的优先权，在网络负载重的时候，报文冲突将会影响数据的吞吐和延迟，在最坏的情况下延迟没有边界。由报文冲突引起的数据传输时间的随机性是影响以太网在实时控制领域发展的主要因素。可以采用以下2种办法加以解决：
(1)提高传输速率
随着以太网速度的提高，从最初的10 Mb/s发展到100 Mb/s、1000 Mb/s,足够的带宽可以承受很大的负荷，高速率大大降低了响应时间，增强了实时性。而传统的现场总线的最高速率只有16 Mb/s。
(2)使用交换机
没有使用交换机的以太网共享固定的带宽，在任一给定的时间内，网络中只有一个站点允许发送信息。随着站点的增加和数据量的增多，使得网络的传输效率大大降低。使用交换机后，交换机的每个端口可以同时并行地、安全地传送信息。而且交换式以太网是可扩充的，其带宽随着用户的增加而增加。
2 应用实例
本文以某工程的监控网络系统为例，阐述以太网技术的应用及应注意的问题。该系统的网络结构图如图1所示。
2.1 网络系统结构及功能
该系统采用100 Mb/s带宽的快速以太网、16端口100 Mb/s交换机及TCP/IP协议族，并以数据库服务器、监控主机为核心，完成测角和遥感图像数据的采集、记录，以及轨道预报、环路控制、系统状态监测等多个任务。
服务器采用ORACLE8数据库，用于存储测角数据、遥感图像数据、轨道预报数据、系统实时状态数据等。
监控主机对整个系统进行监控监测，并以2 Hz的频率向数据库写入实时的系统状态数据以及跟踪时的测角数据。可一次性从数据库中读取一天的任务计划和将要执行的任务的轨道预报数据，并以时间为准自动执行任务计划。在执行任务时，以1 Hz的频率向控制单元提供轨道预报数据。
控制单元用于控制天线运动，以40 Hz的频率采样角度数据、闭环；通过并口、串口监控监测驱动单元、接收机；以2 Hz的频率向监控主机上报分机状态和角度数据。
台情显示用于显示卫星实际空间位置及预报轨道和实时跟踪轨道的拟合曲线。在任务执行前读取预报轨道并绘制预报曲线；在跟踪卫星时，以2 Hz的频率从数据库中读取实时的测角数据，并用另一种颜色绘制实时跟踪曲线。
轨道计算用于轨道的预报、修正。可以根据数据库中采样的测角数据进行轨道修正，并在任务执行前完成一天的轨道预报工作。预报数据存储在数据库中。
磁记录用于实时记录遥感图像数据。在任务执行完后，向数据库写入记录的图像数据。
2.2 网络数据流量估算
以太网帧数据段最小长度限制为46个字节。46个字节加上12字节的源地址和目的地址、2个字节的数据长度及4个字节的帧检验序列（FCS），最小帧长度共64个字节512位。当数据段长度小于46个字节时，加填充字段（PAD）补足。
以太网帧数据段最大长度限制为1 500个字节。若以太网站点有大量数据要发送，需要把数据分拆为多帧发送，它在传送每一帧时都需要使用CSMA/CD介质访问控制机制。两帧之间需要等待一个帧间隙时间（IFG），IFG为以太网接口提供了帧接收之间的恢复时间。100 Mb/s以太网的IFG为0.96 μs。
电信号在电缆中传播速度大约是1km需要5μs。另外，信号在交换机、网卡等网络设备中也有延迟，例如100 Mb/s的交换机有0.46~0.7μs的延迟。
综上所述，在100 Mb/s快速以太网上发送数据所需要的时间可由以下的公式计算：
当数据量小于46个字节时，大约需要：
其中，n是帧数，v是最后一帧数据所需要的时间（参照前面的两个公式）。
由上一小节的分析可知，轨道计算和磁记录会产生大批量的数据。若按一个任务70 KB的数据量计算，一天十几个任务大概有1 M字节的数据量，网上传输约85 μs，但实际使用的时间要略大一些，这是因为存在报文冲突以及数据的打包、拆包也要占用一些时间。磁记录设备记录的遥感图像数据有1~50 MB，将50 MB的数据写入数据库中，至少需要0.5 s。不过，轨道计算一般一天计算一次，且必须在任务计划执行前完成；而磁记录在任务执行时，记录图像数据到磁带中，在任务执行完后，才写数据库。因此，二者对整个系统网络控制的实时性没有多大影响。
实时性要求较高的是监控主机对各分机的监控监测。监控主机对控制单元、台情显示、轨道计算、磁记录的控制是根据任务计划来执行的，没有周期性。由于数据量小于46个字节，仅需要11.78 μs。
而具有周期性的是监控主机与数据库、监控主机与控制单元、台情显示与数据库之间的网络通讯。由于使用了交换机，所以监控主机与控制单元之间的网络通讯，不受监控主机与数据库、台情显示与数据库之间网络通讯的干扰。具体分析如下：
监控主机与控制单元之间的数据流量由频率为2 Hz的控制单元上报数据和频率为1 Hz的监控主机引导数据组成。由于数据量均小于46个字节，所以在执行任务时每秒的占用时间约为：
11.78×(2+1)=35.34 μs；
在不执行任务时每秒的占用时间约为：
11.78×2=23.56 μs 。
与数据库有关的数据流量由频率均为2 Hz的监控主机上报数据和台情显示轨道数据组成。由于数据量均小于46个字节，所以在执行任务时每秒的占用时间约为:
11.78×(2+2)=47.12 μs；
在不执行任务时每秒的占用时间约为:
11.78×2=23.56 μs。
但需要说明的是：由于在完成任务后，磁记录设备要传送图像数据到数据库中，此时，监控主机的上报数据会受到一定的影响，每秒的占用时间大于23.56 μs。监控主机仅将跟踪时的角度数据作为测角数据上报，因此测角数据的实时性不受影响。
由以上的分析可知，整个网络系统的设计比较合理，承载力与实际负荷相比余量较大，实时性理想，系统仍有进一步扩展的潜力。在本例中，根据需要还可以合理的添加服务器或客户机等。如图1中虚线部分所示。
3 发展前景
过去人们一直认为，以太网是为了IT领域应用而开发的，在控制领域只能得到有限的应用。但随着以太网技术的发展和越来越多的应用于控制系统，我们有理由相信在未来应用于控制领域中的网络技术应该是以以太网技术为基础，融合传统现场总线的经验、特点，并增强网络的实时性能，从而最终形成一种全新的高速现场总线。这种全新的网络技术应该能够贯穿于整个网络的各个层次，实现了办公自动化和工业自动化的无缝结合，其良好的互联性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构。
参考文献
1 唐光荣，李九龄，邓丽曼.微型计算机应用技术.北京：清华大学出版社，1999
2 谢凌广，吴乃优，黄松杰.面向制造自动化的以太网技术.测控技术，2001（6）
