[論文レビュー] Comparison between Networked Control System behaviour based on CAN and Switched Ethernet networks

Belynda Brahimi, Éric Rondeau+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2006

Network Time Synchronization Technologies参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、TrueTimeシミュレータを用いて、ネットワーク制御システム（NCS）の性能を、決定的であるCAN（決定的）と非決定的であるスイッチングエーテルネット（非決定的）ネットワークで比較している。ネットワーク状態が変化する条件下での安定性を評価した結果、CANは決定的タイミングのおかげでより予測可能な制御動作を保証する一方、スイッチングエーテルネットは、特に高パケット損失または低優先度トラフィックの下でジャイタと不安定性を引き起こすことがわかった。

ABSTRACT

The distributed control systems are more and more used in many industrial applications. These systems are often referred as "Networked control systems". The goal of this paper is to show the network influence on feedback control systems. Two networks are considered: Switched Ethernet network and CAN fieldbus. The first one represents the non deterministic network and second one represents the deterministic one. Several scenarii are studied to analyse the stability of system according to different network parameters (packets losses, congestion and frame priority). The Truetime simulator is used in this work.

研究の動機と目的

• ネットワーク特性がネットワーク制御システム（NCS）の安定性に与える影響を分析すること。
• リアルタイム制御応用における決定的CANと非決定的スイッチングエーテルネットのネットワークを比較すること。
• パケット損失、混雑、フレーム優先度などのネットワークパラメータが制御システムの安定性に与える影響を評価すること。
• 現実的なネットワーク条件下でのシミュレーションを用いて、制御性能の定量的評価を提供すること。

提案手法

• CANおよびスイッチングエーテルネットの両方のネットワークを用いて制御システムをモデル化・評価するために、TrueTimeシミュレーション環境を活用した。
• 線形時不変（LTI）のプラントと制御器を備えたクローズドループ制御システムをネットワーク通信でインターフェース化した。
• CANおよびスイッチングエーテルネットの両方で、変動する遅延、ジャイタ、パケット損失を含むさまざまなネットワークシナリオをシミュレートした。
• スイッチングエーテルネットで異なるフレーム優先度レベルを適用し、制御ループの安定性への影響を評価した。
• 制御信号の収束と追従誤差指標を通じて、システムの安定性を測定した。
• CANには決定的スケジューリングを、エーテルネットにはIEEE 802.1Dベースのスイッチングを適用して、実世界の挙動をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク誘発遅延およびジャイタは、ネットワーク制御システムの安定性にどのように影響するか？
• RQ2 CANとスイッチングエーテルネットの両方で、パケット損失およびネットワーク混雑は制御性能にどのように影響するか？
• RQ3 スイッチングエーテルネットにおけるフレーム優先度は、制御ループの安定性にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 負荷状態が変化する条件下で、CANとスイッチングエーテルネットのどちらがより優れた安定性を提供するか？
• RQ5 CANの決定的性質は、非決定的エーテルネットと比較して、制御システムの信頼性をどの程度向上させるか？

主な発見

• CANネットワークは、決定的スケジューリングと予測可能な送信時間のおかげで、すべてのテストシナリオにおいて一貫してシステムの安定性を維持した。
• スイッチングエーテルネットは、高負荷下で顕著なジャイタと不安定性を引き起こした。特に、低優先度フレームがバッファ競合を引き起こした場合に顕著であった。
• スイッチングエーテルネットにおけるパケット損失は、制御性能の顕著な低下を引き起こし、高損失シナリオでは追従誤差が最大で30％増加した。
• スイッチングエーテルネットにおけるフレーム優先度の適用は安定性を改善したが、特にネットワーク混雑時にはジャイタを完全に排除できなかった。
• フレーム損失率が5％を超えており、ジャイタが10 msを超えた場合、スイッチングエーテルネットでは制御システムが不安定になった。
• 時間的に制限のあるアプリケーションでは、CANが一貫した制御ループ応答を維持する点でスイッチングエーテルネットを上回った。