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工业分布式环境中的计算机通信——调查

摘要：如今，计算机系统出现在几乎所有类型的人类活动中，它们也支持任何类型的行业。这些系统中的大多数都是分布式的，节点之间的通信基于任何类型的计算机网络。在设计分布式系统，尤其是工业信息系统时，系统组件之间的连接是关键问题。工业领域需要广泛的计算机通信手段，特别是时间受限和安全增强的手段。从现场总线和工业以太网技术到无线和互联网工作解决方案再到标准化问题，计算机网络使用的许多方面和许多有趣的研究领域。其中很多都非常复杂，甚至是独一无二的。本文的主要目标是对工业分布式系统通信领域的最新趋势进行调查，并强调可靠性和标准化等重要问题。最后，提供了对未来发展的总体评估和估计。该表示基于系统内数据流的抽象描述。

索引术语—蜂窝、通信、数据流、可靠性、工业分布式系统、工业网络、模型、要求、rte、标准化、无线。

1.导言

由于自动化系统成为获得比手动控制系统更好的质量和更低的成本的更复杂产品的不可或缺的手段，因此计算机参与其中的一部分不断增长，而不是线性的方式。计算机与工业系统的联系存在于过程级别以及[1]、[2]中描述的任何更高级别的数据交换模型上。尽管大多数考虑的问题都涉及具有实时能力的控制系统，但也有描述的技术专用于上述模型的任何其他级别。在RT系统中，用于控制执行器或从传感器收集数据的每一个物理信号都必须由某种自然或人工智能处理。目前，人类扮演着自动化系统设计者、建造者和最终用户的角色。但是主控制器的角色被分配给了一台计算机。根据有关历史。

2012年1月收到稿件；2012年6月修订；2012年6月9日接受。发表日期2012年7月20日；当前版本日期2012年12月19日。论文编号TII-12-0061。

彼得·盖伊就职于波兰格利维采44-100的西里西亚科技大学信息学研究所（电子邮件：piotr.gaj@polsl.pl）。

于尔根碧玉就职于东威斯特法伦-利普应用技术大学信息技术工业研究所，以及德国弗劳恩霍夫协会，地址：德国莱姆戈32657(电子邮件：juergen.jasperneite@hs-owl.de)。

马克斯·费尔瑟在瑞士伯尔尼应用科学大学城堡村工作（电子邮件：max.felser@bfh,ch）。

数字对象标识符10.1109/TII.2012.2209668

从观点来看，计算机被用于自动化，但在早期，它们只是作为比较强大的计算机，用作集中处理站，并且相互作为分散系统的节点，通常称为DCS（分布式计算机系统）。在这种情况下，主要作用是对工业过程进行连续控制。专用于离散控制的电路是基于继电器设计的，随着进展，它们被转变为构造为相对简单的计算机的PLC（可编程逻辑控制器）设备 [3]。这时，用于DCS和作为PLC的计算机之间的差异逐渐消失。有时，在两种情况下都使用完全相同的硬件基础。另一组配备人机接口的计算机，如PC（个人计算机）、IPC（工业个人计算机）、HMI（人机接口）等，主要被认为是数字系统与人之间的信息交换点[4]。然而，在工厂车间使用此类设备会带来适当的时间安排问题[5]。

目前，工业分布式系统的主要特点是硬件、软件和物理组件的分布，用于实现控制和自动化系统[6]、[7]。在本文中，考虑了这种计算机系统的使用。在这种情况下，涉及给定工业过程的人类知识以系统和数据结构的形式嵌入在分布式计算机的物理资源之间应用的处理算法中，其中控制功能可以自由地分配给不同的计算机。由于处理资源是按地域分配的，因此非常有必要确保连接性，以便在它们之间交换事件和数据。目前，除了使用（工业）数据网络之外，没有其他方法可以做到这一点。因此，由于提供了允许运行整个系统的不必要资源，它们成为分布式系统的重要组成部分。网络化控制系统用于工厂自动化、过程自动化、楼宇自动化、汽车系统、能源分配系统等应用领域。在这些领域中使用工业数据网络应始终考虑时间。在所提到的控制级别上，有一组信息表示为系统数据的一部分，它直接与物理自动化对象交互，即与物理过程交互。它导致所有系统组件，包括网络及其计算机节点及其硬件和软件基础设施，都应该以实时模式工作。因此，工业网络的主要判别因素是时间确定性行为的能力。这意味着所有网络活动都受到从可实现的最小持续时间到最大允许持续时间的范围内的时间限制。然而，在工业中的各个领域，对时间限制的特定态度取决于应用程序的要求。当考虑到系统间集成过程和异构环境中的远程访问能力时，这一点尤其值得注意。因此，在当前的网络控制系统(NCS)中，也需要软RT通信解决方案，甚至包括在公共区域内运行的那些。

2.应用特性

与桌面和商业环境相反，工业环境是不变的。至少有一些重要特征决定了系统的构建和操作方式。下一节将基于一些这样的特性讨论幕后发生的事情。

在给定的技术过程中，信息表示（编码）、映射（存储和传输）和处理（算法）的特性是不变的。NCS的期望源于这些特性以及可以为技术过程完成并有利于用户的操作。一组典型的NCS功能固定用于数据采集、控制、监督、监控、诊断等。在工业通信领域，抽象活动的数量也有限。典型的数据交换类型是基于预定义方案的循环交换。由于本地重传能力所产生的时间和空间数据一致性的简单保证，它被用于将循环交换作为主要的工业网络活动。按需非循环交换的需求也存在，但这种数据传输总是从属于循环的模式。因此，本地或远程范围内的循环和非循环更新可以简单地区分为主要的工业网络活动。它产生了一种情况，尽管现有的通信解决方案多种多样，但其功能的主要思想是相同的，如图1所示。它基于循环网络活动，该活动建立在在几个现有的和众所周知的网络模型（主-从、令牌传递、生产者-分销商-消费者、时间切片、时分多址）之一下工作的模式之上。或组合版本。所有的网络活动都在一个网络周期内执行，该周期以一个重复的时间窗口或重复的一系列时间窗口的形式出现。循环内活动的时间安排取决于给定的预定义循环动作和不可预测的非循环事件的模式。

图 1 NCS中一般数据流和节点活动的模式。

在大多数情况下，在自动化级别上工作的分布式计算机系统从任何角度和任何意义上都不需要非常快，但它需要处理具有硬或软RT约束的数据，并以适当的安全性运行班级。系统处理代表工艺过程状态及其内部状态的数据。所有与应用程序相关的数据都可以称为有用的。从这样一个有用的数据流的角度来看，一个系统由一个虚拟应用程序组成，该应用程序在物理上分散在系统节点之间，真实部分通过网络相互通信。通过网络传输的有用数据由与使用的协议栈相关的任务提供服务，通常称为有效负载。

1. 异步任务

组成应用程序任务由系统节点内的处理资源执行，以及在其独立的网络协处理器中或由节点内的适当进程执行的协议任务。在任何情况下，为了确保时间确定性行为，任务执行由时间受限的软件控制，例如RT操作系统。它导致每个系统节点中的特征双周期数据流（图1）。 第一个周期取决于控制任务的执行，第二个周期取决于网络活动。两个周期都受时间限制，即周期周期受最大值限制。周期之间的同步在节点操作系统指定的时间内在给定时刻执行。例如，它可以是PLC循环的特殊部分或中断服务。

1. 异构子系统的互连

另一个重要的应用要求是能够在水平级别以及在其他级别之间垂直集成各种系统。集成问题提供了 [8]-[10] 中描述的一系列问题。最重要的是与互连系统的异构性质有关。集成的一个重要趋势是通过公共网络连接远程系统，以获得维护可访问性或增加工厂范围和跨部门系统的互操作性。在这种情况下，物理和功能分布具有本地和远程特征。请注意，可用服务因系统操作范围而异。在本地，主要任务是以垂直和水平方式交换有用的数据，以扩展互操作性。根据工艺应用要求，可以在有或没有时间限制的情况下完成。在集成期间，对本地运行最重要的影响是确保正确的数据流，而不会中断时间确定性交换场景的网络周期，也不会传递不受欢迎或恶意的流量。远程，主要任务是从系统收集数据，以便能够呈现系统状态，或确保系统输入。如前所述，在这种情况下，时间限制是不可靠的，应该深入考虑和保护一些活动。安全是关键方面[11]–[12]。由于公共通道的非确定性特征以及它在工厂管理区域之外的事实，应该只执行非关键服务。典型的有监控、数据库访问、可视化、报警通知的备份、数据处理的远程支持、参数化等。[13]，[14] 尽管如此，还是有人尝试使用公共网络来执行控制任务[ 15]-[17]。不幸的是，有时可用服务和用户请求的服务根本不匹配。在任何情况下，冗余或多网络方法都是有用的：[18]-[21] 中提供了一些示例。

作为该主题的集成复杂性和重要性的示例，图2中给出了实际系统的一个简单示例。通过因特网络连接了多个远程可视化和监控服务，以及在PLC上执行的本地控制 在两个独立的工业网络上。在实践中，通常需要创建更复杂的系统。

图 2 NCS示例中数据传递的一般模式

此外，在当代行业中，客户也有义务灵活应对。这意味着给定的技术线或通信服务（例如，图2）是新的或修改的可能性非常高。因此，尽管工业过程具有固定特性，但IT系统的设计人员非常热衷于使用具有高度灵活性的网络解决方案来重新安排拓扑和数据流。在这个问题上一个好的但不是全新的方法是面向对象方法[22]，[23]。它可以减少软件和硬件部件更改期间的重新配置工作[24]、[25] 以及简化系统重新布置的其他方面：分布范围、一般可扩展性、自适应特性、容错性、可用性安全性和维护简单性[26]。

3.工业通讯

在下一节中，将讨论工业分布式环境下通信技术的当前趋势和问题。

1. 数据通信模型

分布式自动化系统之间的数据总是基于不同的通信模型进行交换。两台分布式计算机之间的经典消息交换很灵活，但难以长期维护。因此，在自动化技术中，开发了一种内存映射通信范式，并广泛用于远程输入和输出的集中控制（例如，现场总线[27]）。对于垂直访问，遵循虚拟现场设备方法的客户端-服务器模型是在ISO9506中开发的，作为制造消息规范，并针对大多数现场总线和工业以太网解决方案进行了复制和修改。对于分布式自动化系统内的控制器之间的水平通信，必须定义额外的范例，主要是发布者-订阅者或生产者-消费者。

1. 工业网络

上述广泛的环境要求导致了许多不同的工业应用，这些应用必须由实时通信系统来满足。其中最典型和最常见的是被认为是第一代工业网络的现场总线系统。目前，此类解决方案不再以重要的方式开发，但现有的解决方案已得到很好的描述和记录以及分析[2]、[28]、[29]。停止现场总线技术发展的主要原因似乎是成熟以及被称为实时以太网的第二代工业网络的出现。从发展的角度也可以考虑其他原因。现有协议栈的不常见性，特别是包括MAC和物理介质，导致基础设施元素成本高昂和集成困难。此外，即使考虑到现场总线的常用和标准化物理层，它们也不再具有吸引力，因为它们不能保证所需的带宽和吞吐量。为了澄清这种情况，重要的是要强调没有引入第2代而不是第1代。低带宽的现场总线技术在NCS中始终占有一席之地。但新的挑战需要新一代的通信解决方案。

将通信解决方案分成几代是相当普遍的过程。图3显示了工业网络的非正式世代。

图 3 工业网络的世代

如今，作为对上述问题的回应，工业自动化供应商采用以太网技术来实现实时通信。以太网本身可以保证低成本和高数据传输速度。由于现有的以太网（IEEE802.3）不能满足严格的时序要求，因此在过去十年中引入了许多扩展来改进时间确定性行为。这些扩展试图涵盖关键要求，包括实施成本、IEEE 802.3兼容性、配置工作和实时性能[30]。此外，这些扩展被记录在IEC-61158[29] 下，作为基于实时以太网的工业通信技术的参考。 可以在例如[28]、[31]-[33]中找到对该领域 RTE 变体和相关标准和性能优化的全面调查。

90 年代现场总线解决方案的自发发展导致了大量不兼容的通信技术的存在。在很短的时间内，RTE似乎成为了一个成为工业通信通用平台的机会。不幸的是，由于全球市场竞争，RTE开发的结果几乎与现场总线的情况相同。有许多不兼容的协议可用。当然，从研究和总体进展的角度来看，多样性和竞争是受欢迎的。然而，考虑到当前异构环境中的数据流，缺乏通用平台在实践中对集成工程师来说是一项繁重的工作。因此，通用解决方案的开发仍在进行中。例如，可以强调虚拟自动化网络[21] 或非常小的尝试 [20] 等项目。

进一步的发展趋势涉及多媒体应用日益增长的重要性以及它们的需求与工业应用的需求相交。以太网音频视频桥接 (AVB)TG[34]正在努力将现有的以太网发展成具有实时能力的以太网[35]。 使用AVB1.0，可以为所有实时消息类别提供最坏情况的延迟。与标准以太网相比，这是一种新的质量，标准以太网只有最高优先级才能表示上限。 即使可以确定最坏情况的延迟，最高优先级的绝对值也不小于标准以太网的绝对值[36]。

几年来，无线技术因其灵活性和减少布线而被认为是工业分布式系统非常有吸引力的选择。主要挑战包括：尽管存在信道错误，但仍实现及时可靠的传输，创建确定性混合系统，其中无线站包含在现有有线系统中 [10]，[37]以及解决数据流量的可用带宽/延迟的变化由于移动的移动设备[38]-[41]。多年来，无线通信技术（例如，IEEE802.11无线 LAN、IEEE802.15.x无线 PAN）及其性能的显着改进[42]、[43]已成为一种可行的解决方案，即使对于

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