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淺談工業以太網的實時性

2018年06月12日 16:39:09 中國傳動網

1.工業以太網

自20世紀80年代以來,為了滿足工廠企業內部信息結成、綜合自動化的需求,各大公司設計開發了多種現場總線協議,其中有20種被納入IEC61158國際標準。但這些總線協議之間并不兼容,且現場總線的實現成本一般都比較高,開發難度也相對較大,阻礙了現場總線技術的發展。

以太網作為當今科技發展標志性技術,已經在局域網和廣域網中取得成功,并普及到管理層及過程控制層。如果進一步在現場設備層中推廣,能極大方便整個企業信息系統的垂直集成。因此大部分現場總線均已開始向以太網領域擴展,融合出工業以太網技術。工業以太網繼承了標準以太網的物理層并兼容其數據鏈路層,因此能采用高性價比的標準PHY芯片及RJ45連接器,在減少成本的同時降低開發難度。目前工業以太網種類較多,國際標準IEC61784包含有Modbus,Ethernet/IP,ProfiNet,Tcnet,Vnet/IP,Powerlink,EtherCAT以及SercosIII等。

2.實時性及相關問題

實時性的一個重要標準是時間的確定性,一個事件發生后,系統在一個可準確預見的時間范圍內做出反應。

工業應用對實時性的需求根據應用場合可大致分為三個等級:工廠級的控制需求要求響應時間在1s左右即可,而過程級控制一般需要響應時間在10~100ms以內,實時性要求最高的是運動控制,要求響應時間在1ms以下,甚至達到幾十us的量級。

以太網的傳輸速率可達100Mbps甚至1Gbps,足以滿足工業應用的需求,但是卻不能保證實現控制設備間的實時通信。這主要是因為標準的以太網協議是以CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection,載波監聽多路訪問/沖突檢測)技術為基礎的,網洛上的各工作站對總線進行“監聽”以確認總線是否空閑。如果空閑,它們就開始發送數據。如果兩個工作站同時試圖發送數據,沖突就產生了。在這種情況下,訪問機制首先確保工作站停止傳輸數據,而后根據預定義的隨機選擇算法,工作站再次嘗試發送數據。這個過程一直重復至沖突消失。上述機制保證了數據的安全發送,可是從確定性行為的角度來看,這卻是一個很大的障礙。它允許數據傳輸時間可以被任意推遲,也就不能實現數據的實時通信。要想使以太網技術在不改變其現有標準的前提下更好的應用到工控領域,就要找到一種解決方案來解決這個問題。

3.工業以太網的實時性方案

為了提高以太網的實時性,必須對通信模型進行修改,目前有以下三種方案:

(1)修改TCP(UDP)/IP協議棧,增加實時調度來控制通信中的不確定因素,典型協議如Modbus/TCP、Ethernet/IP等。這種方案的響應時間為幾十毫秒,一般稱為軟實時工業以太網,適合100ms以上實時性要求的工廠級控制領域。

例,Modbus/TCP并未對Modbus本身的協議進行修改,而是將Modbus幀嵌入到TCP幀中,并采用面向連接的方式,每一個請求都要求一個應答。這種請求/應答的機制與Modbus的主/從機制互相配合,使得交換式以太網具有很高的確定性。

(2)修改數據鏈路層之上的協議如改變幀結構、優化調度方式等來保證實時性,但不改變硬件方案,典型的協議如EthernetPowerlink、Profinet和EPA。這種方案的響應時間為1~10毫秒,一般稱為硬實時工業以太網,適合過程控制領域。

例,EthernetPowerlink引入了SCNM(時間槽通信網絡管理)算法來保證通信的實時性。SCNM給同步數據和異步數據分配時槽,保證在同一時間只有一個設備可以占用網絡,從而避免了網絡沖突。在通信管理上引入了管理節點(MN)和控制節點(CN),并將通信周期分為開始階段、同步階段、異步階段和空閑階段,使得每個周期可以有對應的時間域用于傳輸實時數據和標準以太網數據流,既能保證數據通信的實時性,又能傳輸標準的以太網數據。

(3)修改數據鏈路層協議,在實時通道內由實時MAC接管通信控制,避免報文沖突,簡化數據處理,典型的協議如EtherCAT、SERCOSIII、MECHATROLINKIII等。這種方案帶精確的時鐘同步,響應時間為250μs到1ms,抖動小于1μs,一般稱為同步硬實時工業以太網,主要用于運動控制領域。

例,EtherCAT協議采用主從結構,主站負責發起EtherCAT報文幀,因為采用標準以太網的幀頭和幀尾,主站可以使用標準以太網的物理層和數據鏈路層,即PC機的標準網口。從站需要根據地址從數據幀中提取輸入數據并插入輸出數據該幀的格式,該工作是在數據鏈路層由FMMU模塊完成的,需要專門的MAC層芯片實現。

4.小結

解決以太網實時性的基本思路:首先是明確傳輸通道,避免沖突;其次是減少處理時間,提高響應速度。其中第一點可以在MAC層實現,也可以在TCP/IP層實現,甚至在TCP以上的層實現。但實現的位置越靠近應用層,復用標準以太網的環節就越多,編解碼等處理工作就越復雜,實時性也越差。而靠近物理層的實現方法需要放棄通用的以太網協議,甚至采用專用MAC芯片,這會帶來開發難度的提高和成本的增加。

供稿:網絡轉載

本文鏈接:http://www.jafufa.icu/tech/detail.aspx?id=32531

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