[논문 리뷰] Comparison between Networked Control System behaviour based on CAN and Switched Ethernet networks

Belynda Brahimi, Éric Rondeau외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 11. 29.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 TrueTime 시뮬레이터를 사용하여 네트워크 조건이 다양할 때 안정성을 평가함으로써, 결정론적(CAN)과 비결정론적(스위치형 이더넷) 네트워크를 사용하는 네트워크 제어 시스템(NCS)의 성능을 비교한다. CAN은 결정론적 타이밍 덕분에 더 예측 가능한 제어 행동을 보이며, 스위치형 이더넷은 특히 고패킷 손실 또는 저우선도 트래픽 상황에서 지연과 불안정성을 유발한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 특성이 네트워크 제어 시스템(NCS)의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 실시간 제어 응용 프로그램에서 결정론적 CAN과 비결정론적 스위치형 이더넷 네트워크를 비교하기 위해.
• 패킷 손실, 혼잡, 프레임 우선순위와 같은 네트워크 파라미터가 제어 시스템 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현실적인 네트워크 조건 하에서 시뮬레이션을 통해 제어 성능을 정량적으로 평가하기 위해.

제안 방법

• CAN 및 스위치형 이더넷 네트워크를 통해 제어 시스템을 모델링하고 평가하기 위해 TrueTime 시뮬레이션 환경을 활용하였다.
• 선형 시간 불변 식물과 제어기를 네트워크 기반 통신으로 연결한 닫힘 루프 제어 시스템을 구현하였다.
• 변동하는 지연, 지연 변동, 패킷 손실을 포함한 다양한 네트워크 시나리오를 CAN 및 스위치형 이더넷에서 시뮬레이션 하였다.
• 스위치형 이더넷에서 다양한 프레임 우선순위 수준을 적용하여 제어 루프 안정성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 제어 신호의 수렴성과 추적 오차 지표를 통해 시스템 안정성을 측정하였다.
• CAN에는 결정론적 스케줄링을, 이더넷에는 IEEE 802.1D 기반 스위칭을 적용하여 실제 세계의 행동을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 유도 지연과 지연 변동은 네트워크 제어 시스템의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CAN과 스위치형 이더넷에서 패킷 손실과 네트워크 혼잡은 제어 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스위치형 이더넷 네트워크에서 프레임 우선순위는 제어 루프 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 부하 조건이 다양할 때, CAN 또는 스위치형 이더넷 중 어느 네트워크 유형이 더 높은 안정성을 제공하는가?
• RQ5 CAN의 결정론적 특성은 비결정론적 이더넷에 비해 제어 시스템 신뢰성 향상에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• CAN 네트워크는 결정론적 스케줄링과 예측 가능한 전송 시간 덕분에 모든 시험 시나리오에서 시스템 안정성을 일관되게 유지하였다.
• 스위치형 이더넷은 고부하 상황에서 심각한 지연 변동과 불안정성을 유발하였으며, 특히 저우선도 프레임이 버퍼 경쟁을 일으켜 악영향을 미쳤다.
• 스위치형 이더넷에서의 패킷 손실은 제어 성능 저하를 뚜렷이 유발하였으며, 고손실 상황에서는 추적 오차가 최대 30% 증가하였다.
• 스위치형 이더넷에서의 프레임 우선순위 설정은 안정성을 향상시켰지만, 네트워크 혼잡 상황에서는 여전히 지연 변동을 완전히 제거하지 못했다.
• 스위치형 이더넷에서 프레임 손실 비율이 5%를 초과하고 지연 변동이 10ms를 초과할 경우 제어 시스템은 불안정해졌다.
• 특히 시간에 민감한 응용 프로그램에서는 CAN이 일관된 제어 루프 응답을 유지하는 데서 스위치형 이더넷을 능가하였다.