如何计算工业以太网的响应时间和网络负载
日期：2009-5-3 23:36:03 来源：互联网
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在工业以太网的设计中，计算服务的响应时间和网络的负载量是一项重要的内容，这是预估网络性能的重要参数，对网络的实时性影响很大。下面就以施耐德电气透明就绪工业以太网中的三种实时服务为例，讨论这两项指标的计算方法，为读者计算自己的网络指标提供借鉴。
响应时间计算
Modbus 报文处理服务的响应时间
图中： CT1——PLC1的扫描时间；
CT2——PLC2的扫描时间；
NAT——网络访问时间；
TT——事务处理时间。
PLC 模块处理数据交换是与PLC 周期同步的，输入/ 输出交换也以相同的方式同步。当发生事件时，比如输入到达PLC1，只有当这一输入处理完，才开始后面的周期，PLC 程序执行之后才能传输报文，也就是事件发生后约1.5 个周期。
表1中网络访问时间(NAT) 的单位为毫秒，为模块传输时间和报文在网络上传输的延迟之和。
整个信息处理时间TT包括从 PLC1传输报文，被 PLC2接收、处理请求、返回响应、到被 PLC1接收( 比如更新输出) 的延迟。如上图所示：
■ 事务TT 的时间范围为：
2×CT1 + 2×NAT < TT < 4×CT1 + CT2 + 2×NAT
例如：Quantun 系统，扫描时间为20ms，结果为：60ms<TT<120ms
■ 平均TTave 时间为：
T T ave = 3×CT1 + 0.5×CT2 + 2×NAT
例如：Quantun 系统，扫描时间为20ms，因此 TTave＝90ms
■ 如果计算从PLC1输入到PLC2输出的TT 时间为：
TT = 1.5×CT1 + 1×CT2 + 1×NAT
例如：Quantun 系统，扫描时间为20ms，因此 TT＝60ms
全局数据服务的响应时间
图中： CT－发布信息的周期时间；
NAT－网络访问时间；
TT－事务处理时间。
事务时间(TT) 包括站 PLC1发布全局数据，PLC2 接收处理，到向PLC1 重传的延迟。对于交换变量：
■ 如果CT < 5 毫秒，事务时间为： TT = 5 × CT
■ 如果CT >=10 毫秒，事务时间为：TT = 3 × CT
例如：Quantum NOE模块的CT＝5ms，那么TT＝25ms。如果设置CT＝10ms，那么TT＝30ms。
I/O 扫描服务的响应时间
图中： CT－PLC扫描时间；
RT－从输入到输出的响应时间。
应用响应时间（RT）包括从远程输入获取数据到更新远程输出之间的时间延迟。它包含了 PLC 应用处理时间。
RT 响应时间包含下列参数：
图中TMod In与TMod Out：读 / 写设备响应时间 (TMod取决于设备，但一般在1 到8 毫秒)。
表2给出了 TMod In 与 TMod out 的响应时间：
表2
TIOS In 与 TIOS Out：
对相同设备操作时，两个扫描周期之间的时间 (可用图5做参考。TIOS 与CPU 周期时间并行执行，因此在计算RT 响应时间时，可以隐去) 。
N：PLC CPU周期数。请见表3详细信息。CPU周期数N为：
Tnet：网络上的传播时间 ( 取决于应用，Tnet一般为：十兆网络0.05 ms，百兆网络0.005ms)。
通过下列公式可以估算RT响应时间：
RTmin，TIOS 隐去的最小响应时间：
RTmin = Tmod In + Tnet + N x CycleT + Tnet + TMod Out
RTtypic， 0,5 TIOS隐去的典型响应时间：
RTtypic =TMod In + 0.5×TIOS In + Tnet + N×CycleT + 0.5×TIOS Out + Tnet + TMod Out
RTmax， TIOS不隐去的最大响应时间：
RTmax = TMod In + TIOS In + Tnet + N×CycleT + TIOS Out + Tnet + TMod Out
举例：Quantum PLC，扫描时间20ms，带20个 Momentum I/O, 所以平均响应时间为：RT= 1＋0.5x 5 + 20 + (0.5x 5) + 4= 30ms
网络负载估算指南
为了估算以太网上的网络负载，需要计算连入网络的所有设备的所有通信服务量。由于以太网具有很高的性能，在多数情况下，网络负载可以很容易地控制在以太网的性能上限之内，而不会显著地影响到总的应用响应时间。这是因为以太网的速率非常高：网络事务处理时间小于总的应用响应时间的10%。为了确保低水平的网络负载，并避免大量的理论计算，我们强烈建议您应用交换网技术 ( 树型、星型或菊花链型拓扑) 分隔冲突域，限制网络负载。
以下为网络负载估算指南。只有使用交换网络或菊花链网络，才不需要对冲突域内的情况进行系统估算。
我们的指南仅限于以太网的下列通信服务：
■ TCP/IP Modbus 报文；
■ I/O 扫描；
■ 全局数据。
其它服务（如故障设备替换、网络管理SNMP、Web等）以及事务管理（重试与冲突、用于建立管理服务的带宽等）在此估算指南中都不作考虑。
估算TCP/IP Modbus 报文
估算TCP/IP Modbus 报文所占用的带宽是一件十分复杂的工作，这是因为在应用程序所请求的每一次事务中，大量的参数都会变化。
事务周期性
事务的周期性是不容易确定的。请求是在发起任务时发送出去的，但响应则依赖于目的站的任务处理时间。如果网络上数据流量太大，则响应要等好几个周期。在进入事务周期时，必须估算所有这
些参数。
报文长度
■ 报文的一部分具有相同的长度，它是几个相继封装的信息：以太网 (26)， IP (24)， TCP (24), 和Modbus-MBAP (7)，总共为81 字节， 12 个字节用于响应包空隙的填充；
■ 数据帧的后一部分的长度取决于Modbus PDU 请求/响应及其参数的长度。在表4中列出了各种不同的情况 （取值为字节）。
估算Modbus TCP/IP 报文所使用的带宽时，需要考虑事务的下列特性参数：
■ 发送报文的时间，以毫秒计算；
■ Modbus PDU 请求的大小，以字节计算；
■ Modbus PDU 响应的大小，以字节计算。
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
响应时间计算
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
Modbus 报文处理服务的响应时间
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
图中： CT1——PLC1的扫描时间；
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
CT2——PLC2的扫描时间；
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
NAT——网络访问时间；
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
TT——事务处理时间。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
PLC 模块处理数据交换是与PLC 周期同步的，输入/ 输出交换也以相同的方式同步。当发生事件时，比如输入到达PLC1，只有当这一输入处理完，才开始后面的周期，PLC 程序执行之后才能传输报文，也就是事件发生后约1.5 个周期。
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
表1中网络访问时间(NAT) 的单位为毫秒，为模块传输时间和报文在网络上传输的延迟之和。
plcjs.技.术_网
整个信息处理时间TT包括从 PLC1传输报文，被 PLC2接收、处理请求、返回响应、到被 PLC1接收( 比如更新输出) 的延迟。如上图所示：
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
■ 事务TT 的时间范围为：
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
例如：Quantun 系统，扫描时间为20ms，结果为：60ms<TT<120ms
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
■ 平均TTave 时间为：
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
T T ave = 3×CT1 + 0.5×CT2 + 2×NAT
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
例如：Quantun 系统，扫描时间为20ms，因此 TTave＝90ms
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
■ 如果计算从PLC1输入到PLC2输出的TT 时间为：
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
TT = 1.5×CT1 + 1×CT2 + 1×NAT
plcjs.技.术_网
例如：Quantun 系统，扫描时间为20ms，因此 TT＝60ms
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
全局数据服务的响应时间
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
图中： CT－发布信息的周期时间；
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
NAT－网络访问时间；
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
TT－事务处理时间。
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
事务时间(TT) 包括站 PLC1发布全局数据，PLC2 接收处理，到向PLC1 重传的延迟。对于交换变量：
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
■ 如果CT < 5 毫秒，事务时间为： TT = 5 × CT
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
■ 如果CT >=10 毫秒，事务时间为：TT = 3 × CT
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
例如：Quantum NOE模块的CT＝5ms，那么TT＝25ms。如果设置CT＝10ms，那么TT＝30ms。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
I/O 扫描服务的响应时间
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
plcjs.技.术_网
图中： CT－PLC扫描时间；
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
RT－从输入到输出的响应时间。
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
应用响应时间（RT）包括从远程输入获取数据到更新远程输出之间的时间延迟。它包含了 PLC 应用处理时间。
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
RT 响应时间包含下列参数：
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
图中TMod In与TMod Out：读 / 写设备响应时间 (TMod取决于设备，但一般在1 到8 毫秒)。
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
表2给出了 TMod In 与 TMod out 的响应时间：
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
表2
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
TIOS In 与 TIOS Out：
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
对相同设备操作时，两个扫描周期之间的时间 (可用图5做参考。TIOS 与CPU 周期时间并行执行，因此在计算RT 响应时间时，可以隐去) 。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
N：PLC CPU周期数。请见表3详细信息。CPU周期数N为：
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
Tnet：网络上的传播时间 ( 取决于应用，Tnet一般为：十兆网络0.05 ms，百兆网络0.005ms)。
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
通过下列公式可以估算RT响应时间：
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
RTmin，TIOS 隐去的最小响应时间：
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
RTmin = Tmod In + Tnet + N x CycleT + Tnet + TMod Out
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
RTtypic， 0,5 TIOS隐去的典型响应时间：
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
RTtypic =TMod In + 0.5×TIOS In + Tnet + N×CycleT + 0.5×TIOS Out + Tnet + TMod Out
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
RTmax， TIOS不隐去的最大响应时间：
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
RTmax = TMod In + TIOS In + Tnet + N×CycleT + TIOS Out + Tnet + TMod Out
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举例：Quantum PLC，扫描时间20ms，带20个 Momentum I/O, 所以平均响应时间为：RT= 1＋0.5x 5 + 20 + (0.5x 5) + 4= 30ms
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网络负载估算指南
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
为了估算以太网上的网络负载，需要计算连入网络的所有设备的所有通信服务量。由于以太网具有很高的性能，在多数情况下，网络负载可以很容易地控制在以太网的性能上限之内，而不会显著地影响到总的应用响应时间。这是因为以太网的速率非常高：网络事务处理时间小于总的应用响应时间的10%。为了确保低水平的网络负载，并避免大量的理论计算，我们强烈建议您应用交换网技术 ( 树型、星型或菊花链型拓扑) 分隔冲突域，限制网络负载。
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
以下为网络负载估算指南。只有使用交换网络或菊花链网络，才不需要对冲突域内的情况进行系统估算。
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
我们的指南仅限于以太网的下列通信服务：
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
■ TCP/IP Modbus 报文；
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
■ I/O 扫描；
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■ 全局数据。
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其它服务（如故障设备替换、网络管理SNMP、Web等）以及事务管理（重试与冲突、用于建立管理服务的带宽等）在此估算指南中都不作考虑。
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估算TCP/IP Modbus 报文
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
估算TCP/IP Modbus 报文所占用的带宽是一件十分复杂的工作，这是因为在应用程序所请求的每一次事务中，大量的参数都会变化。
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事务周期性
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
事务的周期性是不容易确定的。请求是在发起任务时发送出去的，但响应则依赖于目的站的任务处理时间。如果网络上数据流量太大，则响应要等好几个周期。在进入事务周期时，必须估算所有这
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
报文长度
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
■ 报文的一部分具有相同的长度，它是几个相继封装的信息：以太网 (26)， IP (24)， TCP (24), 和Modbus-MBAP (7)，总共为81 字节， 12 个字节用于响应包空隙的填充；
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
■ 数据帧的后一部分的长度取决于Modbus PDU 请求/响应及其参数的长度。在表4中列出了各种不同的情况 （取值为字节）。
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
估算Modbus TCP/IP 报文所使用的带宽时，需要考虑事务的下列特性参数：
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
■ 发送报文的时间，以毫秒计算；
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
■ Modbus PDU 请求的大小，以字节计算；
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■ Modbus PDU 响应的大小，以字节计算。
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