实时系统是指能够在确定的时间内执行计算或处理功能并对外部的异步事件做出回响的计算机系统。在实时系统中，完成任务的时间要求是其决定性特徵。根据这一特性，实时系统可分为硬实时系统和软实时系统。对于硬实时系统，每个任务都有一个处理截止时间，任务必须要在这个截止时间到达之前完成，否则后果可能是灾难性的和不可恢复的。

在计算机实时系统中，为了保证整个系统的实时性，要求系统中网路传输具有实时特性。而传统的网路技术，如乙太网、FDDI等在实时套用中存在以下几方面的缺点：(1)数据传输速率不高；(2)在网路负载较大时，网上数据传输延迟较大且延迟具有不可预期性；(3)网路通信需要藉助许多网路协定来完成，降低了通信效率。而真正的实时网路应具有传输的确定性和可预测性、传输速率高、传输纠错能力强等特点。

而对于软实时系统来说，如果任务在截止时间过去之后才完成也是可以接受和恢复的。目前许多分散式实时系统都是硬实时系统，而实时网路就可以满足硬实时系统这种严格系统处理时间的需求。当然实时系统必须具有实时作业系统。实时网路最重要的特点就是其通信的确定性和可预测性，就是说实时网路中各节点间数据传输的时间是确定的，即可预测的。实时网路中的数据传输是具有时限的，如果网路中数据传输的时间超出了时限，即使接收方收到了数据，系统也认为此次数据传输失效。

工业控制网路是连线工业现场测量控制设备的一类特殊网路，它不但要完成非实时信息的通信,而且还要求支待实时信息的通信。其区别于一般商用的特殊性具体体现在:

(1)信息长度较小;

(2)周期与非周期信息同时存在,正常工作状态周期性信息(如过程测量与控制信息、监控信息等)较多，而非周期信息(如突发事件报警、程式上下载等)较少;

(3)有限的时间回响;

(4)信息流向具有明显的方向性,如测量信息由变送器向控制器传送,控制信息由控制器向执行机构传送,过程监控与突发时间信息由现场仪表向操作站传送,程式下载由工程师站向现场仪表传输等;

(5)测量控制信息的传送有一定的顺序性,如测量信息首先需要传送到控制器,由控制器进行控制运算,发出的控制信息传送给执行机构,控制相关阀门的动作。

要满足上述工业通信系统的特殊要求,客观上要求工业控制网路协定能够处理上述特点带来的新问题,具备以下几个功能:

(1)网路通信在时间上的确定性,即在时间上,任务的行为可以预测;

(2)实时回响适应外部环境的变化,包括任务的变化、网路节点的增/减、网路失效诊断等;

(3)简单的网路通信方式,可以减少通信处理延迟。

虽然现场汇流排在工业现场控制网路中占据着统制地位, 但现场汇流排技术的套用也存在诸多问题, 首先是现场汇流排标準问题. 标準体现了技术的开放性和互联性.

由于不同的标準在一定意义上代表着不同的厂商利益, 厂商之间市场、利益的竞争会反映到标準的推广、套用和被採纳的广度和深度, 所以使得协定之间存在着竞争. 不同现场汇流排通信协定之间的差异性, 使得实现不同汇流排产品间的互联和互操作非常困难, 这不但使现场汇流排的优越性难以体现, 而且增加了用户套用的技术和投资风险, 不利于现场汇流排技术的发展和推广套用.

其次是频宽问题. 分散的控制数据是增加频宽的要求之一, 在今后的几年里, DCS(分布控制系统)产生的製造信息将增加20到30倍. 同样地, PLC 从场地设备採集的信息预计将增加10到20倍. 当前现场汇流排一般的传输速率为1Mbps～ 2Mbps, 缺少升级到几兆速率的能力来支持数以千计的设备. 新型现场汇流排, 如速率为12Mbps的Profibus可能提供高效的性能, 但伴随的是昂贵的价格.

第三是与商用网路的集成问题. 网际网路及其相关技术已经极大地改变了企业的经营方式, 它使信息通信贯穿整个社会, 遍及全球. 在製造加工工业中, 新技术的发展方向是建立在Internet /Intrane t基础上的开放式的、透明的商业运作, 用以取代传统的卖方驱动体系. 现有现场汇流排标準大都无法直接与网际网路连线, 需要额外的网路设备才能完成通信。

传统的控制网路中,套用层实时协定可以基于两种通信模型来实现,一种是基于令牌的通信模型,另一种是生产者/消费者(Produeer/Consumer)模型。

基于令牌的通信模型要求网路上有一个(至少有一个)主设备-—汇流排仲裁者,和多个从设备。每个从设备通过从主设备获取令牌周期性地传送数据。通常,没有主设备的允许,网路上的从设备不能占有网路。基于令牌的通信模型如图所示。基于令牌的通信模型是一种集中式控制机制,它可以保证网路上的每个节点在时间上的通信确定性。

但集中式控制的缺陷也是很明显的,一旦传送令牌的汇流排仲裁者发生故障,网路上所有节点的通信就会发生混乱,导致整个系统瘫痪。

基于令牌的实时通信模型

带有汇流排仲裁者的生产者/消费者通信模型如图所示。在生产者/消费者通信模型中,变数之间通过一个标识符来相互区别。每个变数只能由一个生产者生成,但可以破多个消费者查询。生产者/消费者通信模型主要用于周期性信息的传输,它可以根据网路上的汇流排仲裁者的调度来实现,汇流排仲裁者根据一个周期性的表格请求生产某个变数,生产该变数的设备收到请求后,就在网路上发布指定的变数。如果网路上没有汇流排仲裁者,那幺可以在系统组态时就确定每个节点传送周期性信息的时间顺序,各个节点按照事先组态好的顺序独立执行。生产者/消费者模型的缺点是无法处理突发性信息(如报警和事件通知)。

生产者/消费者通信模型

工业控制网路是一种典型的实时套用系统,其中的任务(如功能块的执行)通常按照一定的时间间隔触发,并且对任务的执行时间具有截止期要求。这种任务称为周期性任。实时套用系统中还有一种任务,这

种任务只有在特定的事件触发下才出现,例如报警处理。这类任务称为非周期性任务。非周期性任务是随机触发的。这两种任务反映在工业控制网路的通信上,就是两类通信信息:周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的时间特性。一旦系统组态完成,周期性通信信息的传送就具有时间确定性。而非周期性通信信息往往是突发信息,在时间上是不确定的。基于乙太网的工业控制网路同样包含这两类通信信息。而且,乙太网上各个节点的通信都具有时间不确定性。

对于周期性信息,根据组态好的节点执行顺序,採用生产者/消费者通信模型来管理信息的通信,可以实现信息的实时传输。而对于发生在周期信息通信间隙的非周期信息的通信,可以採用令牌的方式来管理信息的实时传输。基于上述分析,我们可以把上述的两种套用层实时通信模型结合起来,形成一个适用于基于乙太网的工业控制网路的套用层实时通信模型—仲裁者/生产者/消费者模型,以管理信息的实时通信。

在仲裁者/生产者/消费者模型中,生产者传送过程变数,消费者接收过程变数,负责周期性信息的传送。

仲裁者负责协调不同设备之间的生产者在处理非周期性信息时对汇流排的需求。每个过程变数只有一个生产者,却可以有多个消费者。凡是提供过程变数的节点都必须提供生产者功能,并且能够在已经组态好的执行顺序下,将该过程变数传送到它的消费者所在的节点中。例如,把感测器变数传送到控制品、把控制器的结果传送到执行器以及把过程变数传送到历史资料库等。生产者的IP数据报文中,源地址为生产者自己的IP位址,目的地址则是一个组播或广播地址。在消费者所在的设备上储存它所需要的生产者的IP位址,利用这些地址,各个节点都具备过滤功能。

(1)周期性信息通信过程在仲裁者/生产者/消费者模型中,一旦系统组态完成,周期性信息的通信在时间上就确定下来,不需仲裁者的控制,网路中的每个节点严格控照预先组态好的调度顺序执行。只要节点的执行时间一到,就开始处理收到的数据,并在处理结束后把需要传送的信息广播到整个网段上,该网段上的所有设备都接收到该信息。在收到该信息后,只有当该信息是某个设备上的消费者所需要的,此设备才保留此信息,其它设备则把此信息丢弃。通常,生产者和消费者的关係通过组态来设定。

(2)非周期信息通信过程

由于乙太网是一种抢占式的网路,在周期性通信的间隙,当有多个节点需要传送非周期信息时,就有可能会产生冲突。为了解决这一问题,在仲裁者/生产者/消费者模型中,汇流排仲裁者通过轮询的方式来管理非周期信息的通信。在周期性通信的间隙,汇流排仲裁者按照节点的IP位址依次传送令牌。各个设备只有在收到令牌后,才能传送非周期性信息。令牌的持续时间由汇流排仲裁者来确定,其最长持续时间不能大于周期性信息的传送间隙,否则,就会影响周期性信息的传送。

为了保证重要非周期信息(如报警信息)的优先传送,可以为非周期信息划分优先权。与非周期信息的级别相对应,令牌也划分成同样的级别。当某个节点收到令牌后,只有当非周期信息的优先权不小于当前令牌优先权时,该非周期信息才被允许传送。根据令牌周期,汇流排仲裁者线上自动调节令牌的优先权,即自动实现非周期信息的线上最佳化调度。

一种基于乙太网的实时通信层次模型如图所示。在传输层採用TCP（传输控制协定）和UDP协定。

基于乙太网的实时通信层次模型

UDP是一种无连线的传输协定,位于IP协定的上层。UDP採用简单的校验和技术进行差错控制,不处理流量控制。同TCP协定相比,UDP传输不需要建立连线,UDP报文简单,传输的额外负载非常小,使得数据传输效率非常高,适用于实时通信。

但UDP无法解决乙太网本身通信不确定性和冲突的问题。这些问题可以通过两种方法结合来实现:

(1)在底层採用交换式乙太网技术;

(2)在套用层採用实时通信协定。

基于CSMA/CD的乙太网在通信的确定性和冲突等方面的问题,可以通过使用最新的乙太网交换技术来解决。在物理连线上，用交换机替代传统的共享式HUB，就可以构建一个交换式乙太网。图是一种基于全双工通信的乙太网交换机模型。

乙太网交换机模型

交换机的N个物理连线埠工作在全双工模式下,逻辑上可以获得N个输入通道和N个输出通道。这样,连线在交换机上的N个设备即使同时传送和接收数据也不会发生冲突。交换式乙太网的核心技术就是把冲突域最小化,使得每个冲突域只包括一个点对点的连线,这样就避免了冲突的发生。在交换式乙太网中,网路通信的速度和效率取决于交换机的速度。

为了减少交换机对整个乙太网通信速度和效率的负面影响,在组网时要儘量避免跨多个交换机的通信。在工业控制网路中,设备之间的通信往往在系统组态时就已经确定下来,把经常交换数据的设备放在一个网段,这样可以最大限度地减少跨交换机通信情况的出现。