Глава 7. Сравнителен анализ на индустриални мрежи 7.. Параметри за количествен анализ на индустриални мрежи Общи положения В зависимост от типа на предаваната информация мрежите могат да се разделят на два класа - информационни мрежи и индустриални мрежи (мрежи за управление). Информационните мрежи се характеризират с големи пакети данни, предавани на големи интервали и с големи скорости. Те обикновено нямат механизъм за обезпечаване на доставката на информационни потоци в реално време, т.е. при тях е възможно известно непредсказуемо закъснение. Мрежите за управление предават относително малки по големина пакети между голям брой възли и отговарят на критични към времето изисквания. Основната характеристика, която отличава мрежите за управление от мрежите за предаване на данни, е възможността за поддръжка на критични към времето приложения. Основен фактор за ефективността на дадена мрежа е пропускателната ѐ способност, определена като брой битове, които се предават за фиксиран интервал от време. При мрежите за управление се използва ефективната стойност на този параметър - максималното количество значеща информация, която може да се предаде за единица време. Тук е изключена протоколната информация, която включва всеки пакет. Четири основни фактора въздействат върху оползотворяването на пропускателната способност на мрежата: честотата, с която устройствата изпращат информация, броят на устройствата, които работят едновременно; данните или размерът на значещата информация в съобщението и AC подслоят, който управлява предаването на информацията в преносната среда. За да се гарантира производителността на мрежите за управление, е важно да се анализират алгоритмите за оптимизация на трафика. Определящите параметри, разграничаващи мрежите за управление от информационните мрежи, са: закъснение на достъпа до преносната среда, време за предаване на информация, време за реакция, закъснение на съобщение, колизии на съобщения, процент на отхвърлените съобщения, големина на пакета, натоварване на мрежата. Мрежите за управление трябва да отговарят на два главни критерия: пределно време на закъснение и гарантиранo предаване на информацията. Това означава, че съобщението трябва да бъде доставено успешно и в определени времеви граници. Недоставянето на съобщения или доставянето им с големи закъснения води до влошаване качеството на САУМК или до неустойчивост. За удовлетворяване на критичните по време параметри на мрежата и за качеството и надеждността на комуникацията между мрежовите възли основна отговорност носи поднивото eda Access Control - AC (вж. т..2). Времеви анализ Тук се дефинират времевите параметри на индустриалните мрежи. Фиг. 7.. изобразява времевата диаграма от инициализирането на задачата за изпращане на съобщение до нейния край. Времето за изпращане на съобщение се дефинира като разлика между времето, в което възел-източник започва процес на изпращане на съобщение src, и времето, в което възел-получател изцяло получава съобщението dest : (7..) = dest src. 57
Фиг. 7... Времеви параметри на анализа Закъснението Т може да се раздели на три части: закъснение във възела - източник (Source), закъснение в мрежовия канал (Network channel) и закъснение в точката адресант на съобщението (Dest. Node). Закъснението във възела-източник включва времето за предварителна подготовка Т pre и времето за изчакване wat. Т pre е сума от времето за обработка scomp, времето за кодиране scode, a wat - сума от закъснението в опашката queue и Т block, което е времето на блокиране на съобщението. В зависимост от количеството данни, които изходният възел трябва да изпрати, и трафика по мрежата времето за изчакване може да се окаже значително. Закъснението по шината включва времето за предаване на информацията и закъснението от предаването по преносната среда. То зависи от размера на съобщението, скоростта на шината и дължината й. Закъснението в получателя се характеризира от параметъра post, който е сума от времето за декодиране dcode и времето за обработка dcomp. Закъснението може да се представи със следния израз: (7..2) = = scomp + scode + queue + block + frame + prop + dcode + dcomp 4243 4243 4243 4243 4 dest pre src = pre + wat wat + Обработките на съобщенията в източника и адресанта са обикновено с константна продължителност в сравнение със закъсненията по мрежовия канал и времето за изчакване. Поради това те ще бъдат игнорирани в по-нататъшното обсъждане. Закъснението в опашката е времето, което съобщението чака в буфера на точката източник за достъп до преносната среда. То зависи от времето на блокиране на предхождащите го съобщения в опашката, периодичността на съобщенията и от процесното натоварване. Тъй като queue трудно се анализира, то се оценява чрез симулации. В някои приложения старите съобщения се отхвърлят, като по този начин queue става равно на нула. + post = post 58
Време на блокиране на съобщението (Т block ) Това е времето, през което точката е готова да изпрати съобщението, но изчаква достъп до преносната среда. То зависи от мрежовия протокол и е основен фактор, определящ ефективността и детерминизма на мрежите за контрол. Времето на блокиране включва изчакването на останалите възли в мрежата да предадат своите съобщения и времето за препращане на съобщението, ако се получи колизия. Т block в Ethernet Първо се разглежда времето на блокиране в Ethernet, което включва и забавянето от колизии. Точният анализ на това забавяне е затруднен, но опростено то може да се представи със следния израз: (7..3) { block} { k} resd 6 Е Т = E + k= където resd отразява оставащото време до освобождаване на мрежата, а Е{ k } e очакваното време на к-тата колизия. Е{ k } зависи от броя на точките, имащи да изпратят съобщение в даден момент, и от натоварването от пристигащи съобщения във всяка точка. На 6-тата колизия възелът отхвърля съобщението и известява за грешка на по-горното ниво. Може да се направи изводът, че Т block не е твърдо предсказуемо в Ethernet мрежите. В ControlNet мрежа, ако един възел иска да изпрати съобщение, трябва да изчака маркера от предходния възел в логическия кръг. Следователно времето на блокиране може да се изрази от времената за предаване на предхождащите възли. Количествената оценка на това време се дава със: (7..4) block = resd + token + N noqueue N queue, mn( (,n ), ) + където Т resd e oставащото време, от което се нуждае текущата предаваща точка, за да приключи предаване. N noqueue и N queue отразяват точките, имащи или нямащи съобщения за предаване, а Т guard e за синхронизация в ControlNet. Например, ако точка 0 чака маркера, точка 4 го държи и предава съобщение, а точките 6,7 и 8 имат съобщения за изпращане, то N noqueue ={5,9} N queue ={4,6,7,8}. Нека n отразява броя съобщения в буфера на -тата точка и нека e максималното време за задържане на маркера (то е функция от максималното количество информация, протоколна информация и други мрежови параметри - за ControlNet =827.2µs). Т token e времето за предаване на маркера то зависи от времето за предаване на маркера от точка - до точка и от закъснението по преносната среда (за ControlNet Т token e сума от frame на съобщение с нулева големина на информационното поле и Т prop ). Aко в опашката на точка, която в момента притежава маркера, постъпи съобщение, то е с време на блокиране block = (,n), където е номерът на точката. В най-лошия случай, когато една точка има много съобщения за предаване в буфера си, може да задържи маркера максимум до. Това обяснява наличието на минимума (,n ) mn(,). ControlNet e детерминистична мрежа, защото максималното време на закъснение е ограничено и може да се характеризира с горното математическо описание. Ако времето на блокиране на съобщението в DevceNet е крайно, то може да се определи от итерациите на следващия математически израз от к=, докато се достигне guard, 59
(7..5) k block + k block bt = resd +. N hp per Тук resd e оставащото време, докато текущата точка приключи предаване, N hp е брой възли с по-висок приоритет от чакащата достъп точка, per e периодът на - тата точка и X e най-малкото цяло число, по-голямо или равно на X. Симулацията показва времето, необходимо за изпращане на по-високоприоритетните съобщения. Докато точка с нисък приоритет чака достъп до шината, е възможно в опашките на по-високоприоритетните възли да постъпят нови съобщения и тя да загуби арбитража отново. Така се получава натрупване на Т block в DevceNet. В най-лошия случай, при малко натоварване на мрежата resd e: Тrezd = max N, където N са всички точки в мрежата. Поради използването на арбитражен механизъм е възможно предаването на нископриоритетните съобщения да не е детерминирано (ограничено) при по-голямо натоварване на мрежата. Време за предаване на кадър (Т frame ) Времето за предаване на съобщения зависи от размера на информацията, протоколната информация, запълването и битовото време. Нека N data e размера на информацията в байтове, N ovhd протоколната информация, N pad запълването допълнителните байтове, добавени към информацията, за да се покрие минималното изискване за големина на кадъра, а N stuff е уплътняването с битове, използвано в някои протоколи (в DevceNet aкo 5 последователни бита са единици, то след тях се вмъква нула). С описаните параметри може да се въведе следното математическо описание за frame : = N + N + N + N (7..6) frame [ data ovhd pad stuff ] bt Време на разпространение Т prop (закъснение в преносната среда) prop зависи от скоростта за разпространение на електрическите сигнали в съответната индустриална мрежа и от разстоянието между източника и приемника. В най-лошия случай предаване от единия до другия край на мрежата - prop е съответно 25.6µs за Еthernet (2500m), 0µs за ControlNet (000m) и µs за DevceNet (00m). Закъснението в преносната среда не се поддава лесно на анализ поради факта, че разстоянието между точките не е постоянно за всяко предаване. За сравнение ще приемем, че prop е µs (00m) в трите индустриални мрежи. Интересно за отбелязване е, че в DevceNet prop е по-малко от времето за предаване на един бит. Това е така, защото DevceNet е битово синхронизирана мрежа. Така се определя и максималната дължина на шината, гарантираща синхронизацията между точките. Общо и средно време за закъснение При зададено време за работа на мрежата може да се изчислят общото и средното време на закъснение от всяка точка за всяка мрежа: 60 8, sum, (7..7) Т = avg =, =, N = N N
където N е брой на точките, N множеството от точки, a I e брой съобщения, предадени от -тата точка. Предполага се, че всички съобщения са периодични, следователно общият брой на съобщенията е равен на общото време на работа на мрежата, разделен на периода на съобщенията М = max / per, където X е наймалкото цяло число, по-малко или равно на X. Средното време може да се изчисли за цялата мрежа или за определена точка. Ефективност на мрежата P eff Ефективността на мрежата P eff се дефинира като отношение на общото време на предаване към времето, използвано за предаване на съобщения, включително времето за престой в опашката, времето на блокиране и т.н.: P N = (7..8) eff = sum., P eff означава, че почти цялото закъснение е при предаването и производителността на мрежата е добра. P eff 0 означава, че по-голямата част от закъснението се дължи на конкуренция между съобщения и колизии. Натоварване на мрежата P utl Натоварването на мрежата се дефинира като отношение на общото време, използвано за предаване на информация, и общото време на работа на мрежата: (7..9) Т re, P, ( +, ) re N = utl =. max e времето за препращане на (,)-тото съобщение. P utl отразява процента ефективна честотна лента, използвана от възлите. Ако P utl, мрежата е наситена и трябва да се редуцира. Ако P utl 0, има свободна честотна лента за други цели. 6