论文研究-EPA网络控制系统时延特性分析.pdf

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EPA(Ethernet for Plant Automation)通过微网段划分和确定性调度策略解决了以太网的非确定性问题,实现了信息的实时传输。作为一种实时网络控制系统,网络时延特性是影响EPA控制性能的关键因素。在分析EPA信息结构和信息传输规律的基础上,研究了EPA微网段中信息传输网络时延的构成和各部分子时延的特性。通过分析确定性调度策略,对网络时延各部分中最重要的通信调度管理实体排队时延部分进行了重点研究,推导了周期报文和非周期报文排队时延的数学表达式,还建立了确定周期报文发送时间片和非周期报文发送时间片的数学模型。最后通过一个实例对相关分析进行了验证,找到了制约EPA网络时延特性的
32 2009,45(3) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 文PDU格式的一样。所以,NPDA报文的帧长度L如公式(3)任务的吋延,其值取决于接收站的软件和处理器储器的速 所 度以及处理中断的时间,其值在系统给定时也是可以预测的。 =L +Ly+Lp+Lo=100 byte 以上几个时延也存在于其他现场总线中并且现场总线间 式中的LN、L、L分别表示字段 NPMA TAG、PRI和PAD的差别不大,主要由现场设备和网络设备的软硬件性能决定,具 长度。 有可预测性。网络时延各部分中比较特殊的是排队时延t2,即 报文在链路层中等待发送的时延,该时延由链路层调度策略和 TYPE IP Header UDP Header NPMA TAG PRI PAD CRC 网络负载决定,由于各种现场总线的链路层调度机制不同,不 DATA UNIT 同现场总线间存在较大差异。在普通以太网中由于采用CSMA 图3NPDA报文格式 CD进行总线访问并且用1坚持BEB算法处理冲突,使2带有 ENPDA报文格式如图4所示。 ENPMTA TAG字段长度为很大不确定性,基于普通以太网的网络控制系统时延的不确定 1个字节,值为0×21。PRI字段长度为1个字节。其他字段与性主要来自链路层的等待时延。但是在EPA系统中,由于通过 NPDA报文格式中一样。根据各字段长度,可以得到 ENPDA报确定性通信调度策略来调度微网段中的报文发送,能够避免冲 文的帧长度L 突,所以能够实现传输的确定性和实时性。针对特定系统的软 式中的L、L、L分别表示字段 ENPMA TAG, PRI M、(4)使件性能根据确定的网络负载情况对确定性调度策略进行分 L =L +Lr +L,+Ln=100 byte 析,就可以预测微网段中报文传输的EPA_CSME排队时延t2。 由此可见,分析EPA确定性调度策略,研究排队时延t2的产生 长度。 机理和变化规律,是研究EPA系统网络时延的关键环节。 TYPE IP Header UDP Header ENPMTA_TAG PRI PAD CRC DATA UNIT 4EPA系统的排队时延分析 图4 ENPDA报文格式 设备检测本地设备周期数据传输和非周期数据传输开始 时间是根据公式MOD(T,T)=ST和MOD(T,T)=NPT实现的 3EPA系统的网络时延分析 其中T为本地当前时间,S7和NP分别为周期报文发送时间 在NCS中,信息传输过程的实质是网络上的某设备(节偏离量和非周期报文发送时间偏离量。在一个确定的微网段 点)由任务产生发送信息,经过各层协议的封装解析并通过网中,周期数据报文的发送具有时间确定性。因为非周期数据如 络达到另一个设备的任务,网络时延是由这个过程产生的如报警信息、事件通知等都具有随机性所以非周期数据的网络 图5,EPA微网段中一个节点的信息到达另一个节点的端到端负载是不能准确确定的。假设一个微网段中有n个站,在一个 时延按信息的传输流程分为如下几部分:(1)处理时延1:;(2)宏周期中第个站发送的周期数据报文数为P,非周期数据报 排队时延2;(3)传输时延t;(4)接收时延l若总时延时间为文为q,非周期数据发送声明报文为a, ENPDA报文数为b。 t4,则t=1+t2+t3+t4 根据第1章所述,第i个站发送的非周期数据发送声明报文 数为:a2=1。 EPA服务层 EPA服务层 在T阶段,设备发送的周期数据网络负载确定,那么该设 UDP UDP 备T阶段所占用的时间T就可以根据确定性调度策略和发送 IP IP 周期数据的信息量确定,有如下关系式: 通信调度 通信调度 MAC/PHY MAC/PHY 2·8,7+P1T+P+nL:8+10+a1·(5) 二二二二二二一 式中L为第i个发送的设备所发送的第j个周期数据报文的 EPA网络 帧长度;r为帧间隙时间。 图5EPA网络时延组成 同理,一个设备T阶段占用的时间T也可以根据其非周 处理时延t是发送端产生待发送数据信息及其在协议栈期数据调度策略和信息量得出,如下式: 中的处理时延,EPA协议栈包括EPA应用层、UDP层和PP层, 该时延依赖发送端主机的软件和处理器/存储器的速度,系统 …8·T+q;T0+ T+b.·T 给定时是可以预测的。 式中L为该设备所发送的第j个非周期数据报文的帧长度。 传输时延t3是报文在网络上传输的时延,可由公式t3=s1+ 个通信宏周期中T阶段的占用时间T最小应该等于微 s2+s3+sA确定。其中s是报文被发送端的MAC层和PHY层处 理的时延;s,是报文的发送时延,可由报文长度L和网络发送网段中各个设备在T阶段需用的时间之和,即:=2T。Tn 1bi的时间r确定(s2=L·87);s3是电磁波在电缆中传播的时阶段占用时间T最小应等于微网段中所有设备在T阶段占用 延,可由电缆长度l和电磁波在电缆中传播的速度v确定(S3= );s是交换机的时延,可由报文发送端到接收端之间的交换时间之和,即:T=2∑T。组态时Mm的确定应以T为依据, 机个数n和交换机的交换时延确定(s4=sdn) 其值应不小于T,否则非周期数据的发送就会与周期数据的 接收时延是接收端对报文进行解析还原并传递给目的发送产生冲突;而通信宏周期的确定应以T和T为依据,即 刘宁,仲崇权:EPA网终控制系统时延特性分析 2009,45(3)33 T≥T+7n,否则就不能保证微网段内报文的实时发送。 个应用层数据长度为74字节的周期数据报文进入发送队列 EPA微网段内设备开始发送周期数据报文是由预先组态(由公式(2)可知帧长为128字节)。由于电磁波在1km的电缆 的时间偏离量来确定的。在设定时,第i个发送设备的组态时的传播时延约为5μs,设备间传输距离1在10M以太网段上 间偏离量ST必须保证前一个设备将其全部局期数据报文和最大距离不超过200m,这样传播时延(/)可以近似取值为 NPDA报文发送完毕。ST的设定原则如下式所示 1μs。在一个宏周期中,每个设备产生的周期数据报文数为 ST.+T.,i>1 15个,由公式(5)可以得出各现场设备周期数据报文发送占用 ST (7)时间为1.77ms,应用公式(8)可以得出周期数据报文的排队时 式中,ST1是前一个设备的组态时间偏离量;T,是前一个设延。表1、表2分别列出了实例中微网段设备报文和实时参数 备占用的时间。如果现场组态时设备的时间偏离量小于式中计组态情况跟计算得出的周期数据报文排队时延。 算出的结果,就会与其它设备的发送产生冲突。 表1报文发送和相关组态情况 在T阶段,第讠个发送的设备发送的第m个周期数据报 设备PP地址S/ms组态时间 Bims NPT/ms宏周期/ms 文报文的排队时延t等于从其进入队列到开始发送在队列中 1192.168.0.1 等待的时间,这个时延取决于其进队时间T、该设备的组态时 2192.168.0.2 20 间偏离量S冖和该设备中先与它发送的周期数据的信息量。如 192.168.0.3 5555 192.168.0.4 15 下式所示: D+t (8) 表2周期数据报文排队时延 报文设备1/ms设备2/ms设备3/ms设备4/ms 式中T为设备中先于报文m发送的报文所占用的时间 1.568 6.232 11.008 15.672 ∑(1·8·r)+(m-1)·(+rn)m>1 0 D为报文等待本设备周期报文发送时段所造成的时延值: 1234567 28.000 4.344 9.120 3.784 26.112 2.456 11.896 24.224 0.568 10.008 22.336 27.000 3.456 20.448 25.112 1.568 6.232 ST -MOD(T,, T) MOD(T,, T)<ST +T, 18.560 23.224 28.000 4.344 2.456 T+ST:-MOD(T, T) MOD(T, T)>ST +T, 14.784 19448 24.224 0.568 由公式(8)可见,设备的周期数据报文如果错过了组态发 10 12.896 22.336 27.000 送时间,就必须延迟到下一宏周期发送,产生较大的排队时延。 11.008 15.672 20.448 25.112 非周期数据报文的排队时延是由该报文的优先级、IP地 9.120 13.784 18.560 23.224 址大小和时间有效性决定的。如果不考虑时间有效性因素, 7.232 11.896 16.672 1.336 5.344 10.008 14.784 个报文的排队时延就等于它进入队列后在T阶段等待的时间 19.448 15 3.456 8.120 12.896 17.560 和在T非周期报文发送阶段先于它发送的非周期数据报文和 ENPDA报文占用时间。如果考虑时间有效性问题,还要考虑由 假设该微网段中的非周期数据报文是在MOD(T,T)=0 于时间有效性导致的时延。假设在T阶段,一个非周期数据报时进队,报文应用层长度与周期数据报文长度一样为74字节, 文在发送之前微网段内已经发送了p个非周期数据报文和q那么根据公式(9)就可以得出非周期数据报文的排队时延。微 个 ENPDA报文,那么该报文的排队时延t,就如下式所示 网段中产生的非周期数据报文的排队时延如表3所示。 12=D+∑18:r+p:0+p·/+g·L87+q7+g,(9) 表3非周期数据报文排队时延 D=k·T+NPT-MOD(T,T)(k∈整数) 报文 设备 优先级 排队延迟/ms 20.0000 式中L为本宏周期第j个发送的非周期数据报文的长度。k为 20.1120 由于时间有效性而推迟发送的宏周期的数目;T为进队时间;T NPDA报文 为宏周期。由公式(9)可见,如果发送非周期数据报文的时间有 20.3136 效性不能满足,将延迟到下一宏周期而产生较大时延。 ENDA报文 20.5152 NPDA报文 5实例分析 442233 20.7168 以下通过一个实例来对EPA确定性调度策略和网络时延 ENDA报文 分析进行说明,可以反映EPA调度策略对其信息发送排队时 0.9184 延的影响。 ENPDA报文 21.1200 在网络负载情况已经确知的一个微网段中,有4台现场设 ENPDA报文 备。假设微网段以太网速度为10Ms,帧间隙时间τ取最小值 3322 21.3216 为96μs。每台设备中在MOD(T,T)=0时,每隔2ms产生 ENPDA报文 342009,45(3) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 由表2可见,周期数据报文和非周期数据报文的排队时延的需求时间和微网段中非周期数据发送的需求时间,以此为依 由报文进队时间,确定性调度策略和网络负载决定。设备周期据进行各个设备周期数据发送时间偏离量的组态和微网段非 数据发送开始以后进队的报文排队时延有一个跃迁,然后再递周期数据发送时间偏离量的组态。对于周期数据,由于EPA系 减。这是因为设备到达周期数据发送时间时, EPA CSME变为统周期数据发送的信息量由用户层功能块的组态情况确定,当 Periodic DataSending,发送队列中的待发送报文,发完后发送功能块组态确定后,周期数据信息量即可确定;但是对于非周 NPDA报文并变为 ready状态。此后即便组态时间片没用完也期数据,由于非周期数据的信息量具有随机性,对于非周期数 不再发送,再进队的报文必须延迟到下一宏周期发送,这样就据发送需求时间难以确定。所以最好的方案是利用动态统计优 导致较大排队时延的产生。由表3可见,优先级高,P地址小化配置机制实现周期数据报文和非周期数据报文发送时间片 的非周期数据报文可以优先发送,所以其排队时延就要比同时的自动优化调整来提高时间片的利用率。该方案中每个设备自 进队的其他报文要小,但其主要时延也来自于等待非周期数据动检测该设备组态周期数据发送时间片和微网段中组态非周 发送时间片到来造成的时延。所以发送时间片的组态情况对期数据发送时间片的利用率,再通过各个设备的协调来进行, EPA报文发送网络时延景响较大,在本实例中,周期数据发送占用使时间片的划分能够实现自动优化。 时间只有1.77ms,而非周期数据发送占用时间为1.5232ms, 本文的工作为EPA系统实时性能的进一步研究打下理论 都远小于组态时间片。 基础,也可以为现场中EPA系统的选择和组态提供参考,具有 由此可以得出结论,EPA微网段中周期数据报文和非周期一定的现实意义。 数据报文等待组态发送时间片到来的时延是产生较大网络时 延的关键原因,该时延受周期数据和非周期数据组态时间偏离参考文献 量的影响。 [1 hang W, Branicky M S, Phillips S M Stability of networked control systems[J].Control Systems Magazine, 2001, 21(1): 84-99 6结束语 [2]杨丽曼,李运华,袁海斌网络控制系统的时延分析及数据传输技术 研究了FPA报文传输的网络时延,在对FPA系统的报文 研究J控制与决策,2004,19(4):361-366 结构和微网段内信息发送规律进行探讨的基础上,对其数据发3] Karlsruhe W LReal-time Ethernet in IEC61784-2 and IEC6118 送的网络时延特别是通信调度管理实体的排队时延进行了分 series[C]//IEEE International Conference on Industrial Informatics Singapore, 2006: 246-250 析,建立了数学模型,还建立了确定周期数据报文和非周期数 14 Feng Dong-qin, Huang Wen-jun, Jin Jian-xiang, et al. EPA-based 据报文发送时间偏离量的原理以及周期报文发送阶段、非周期 open network control system[ C]//The 4th International Conference 报文发送阶段占用时间等重要实时性能参数的数学表达式,找 on Control and Automation, Dalian China, 2003 976-980 到了制约EPA网络时延特性的瓶颈。提高EPA网络时延特5国家质量技术监督局GB/T20171-2006用于工业测量与控制系 性,可以从两个角度来进行改进 统的EPA系统结构与通信规范S]北京:中国标准出版社,2006 方面应该保证报文在其发送时间片到来之前进入队列,[6 Felser M. Real- time ethernet- ndustry prospective J. Proceedings of 使报文能在本宏周期得到发送。此方法对于周期数据报文非常 the Ieee,2005,93(6):1118-1129 有效,由于周期数据报文大多是对用户层功能块服务的,承载7缪学勤论六种实时以太网的通信协议自动化仪表05064: 的是功能块的输出数据。只要保证功能块输岀数据能够先于周 期数据发送时间片到米之前形成报文进入队列就能使报文在8]高路.于海斌,王宏,等EPA网终体系结构职计算机T程,2004,30 本周期得到发送。这样仅仅对EPA链路层报文发送进行调度 (17):81-82 是不够的,还应该明确用户层功能块执行开始时间的调度方案, [9]陈磊,冯冬芹,金建祥,等以太网在工业应用中的实时特性研究J 浙江大学学报:工学版,2004,38(6):670-675 使功能块的执行调度和链路层的报文发送调度能够协同进行。「10李卓函,仲崇权工业以太网EPA实时性测试方法研究肌自动化 另一方面应该对报文发送组态时间片的划分进行优化,提 仪表,2006,27(10):4-6. 高组态时间片的利用率,减小报文在 EPA CSME的排队等待11平,王浩文,易明华,等EPA协议状态机的一致性测试方法及实 时间。根据报文的信息量,精确计算出各个设备周期报文发送 现J计算机集成制造系统,2007,14(3):621-624 (上接29页) 3 Silva A, Costa E, Neves A. An empirical comparison of particle swarm 获得了较好的求解结果与快速的收敛速度。下一步的工作将考 and predator prey optimization[ CV/LNCs2464: Proc of the I3hl- 虑如何选择算法中的各类参数为算法的实际工程奠定基础。 ICAICS,2002:103-110 [4 He S, Wu Q H, Wen J Y, et al. A particle swarm optimizer with 参考文献: passive congregation(). Bio Systems, 2004, 78: 135-147 5 Niu B, Zhu Y L, He XX, et al. MCPSO: a multi-swarm cooperative [1] Eberchart R C, Kennedy J. A new optimizer using particle swarm particle swarm optimizer[J].Applied Mathematics and Computation theory[c]//Proceedings of the 6th International Symposium on Mi 2007,185(2):1050-1062 cromachine and Human Science, Nagoya, Japan, 1995: 39-4 16 Angeline P J Evolutionary optimization versus particle swarm opti [2] Krink T, Lovbjerg M The life cycle model: combining particle swarm mization: philosophy and performance difference[ c//proceedings of optimisation, genetic algorithms and hillClimbers[C]//LNCS 2439 7th Annual Conference on Evolutionary Programming, San Diego Proc of the 7th ICPPs, 2002, 2439: 621-630 USA,1998:601-610

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    2019-09-10
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