浅谈工业以太网的实时性.docx

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1、浅谈工业以太网的实时性网络转载导语：以太网作为当今科技开展标志性技术，已经在局域网和广域网中获得成功，并普及到治理层及经过控制层。假如进一步在现场设备层中推广，能极大方便整个企业信息系统的垂直集成。因此大局部现场总线均已开场向以太网领域扩展，交融出工业以太网技术。1.自20世纪80年代以来，为了知足工厂企业内部信息结成、综合的需求，各大公司设计开发了多种现场总线协议，其中有20种被纳入IEC61158国际标准。但这些总线协议之间并不兼容，且现场总线的实现本钱一般都比拟高，开发难度也相对较大，阻碍了现场总线技术的开展。以太网作为当今科技开展标志性技术，已经在局域网和广域网中获得成功，并普及到治理

2、层及经过控制层。假如进一步在现场设备层中推广，能极大方便整个企业信息系统的垂直集成。因此大局部现场总线均已开场向以太网领域扩展，交融出技术。工业以太网继承了标准以太网的物理层并兼容其数据链路层，因此能采用高性价比的标准PHY芯片及RJ45连接器，在减少本钱的同时降低开发难度。目前工业以太网种类较多,国际标准IEC61784包含有Modbus,Ethernet/IP,ProfiNet,Tcnet,Vnet/IP,Powerlink,EtherCAT以及SercosIII等。2.实时性及相关问题实时性的一个重要标准是时间确实定性，一个事件发生后，系统在一个可准确预见的时间范围内做出反响。工业应用对

3、实时性的需求根据应用场合可大致分为三个等级：工厂级的控制需求要求响应时间在1s左右即可，而经过级控制一般需要响应时间在10100ms以内，实时性要求最高的是运动控制，要求响应时间在1ms以下，甚至到达几十us的量级。以太网的传输速率可达100Mbps甚至1Gbps，足以知足工业应用的需求，但是却不能保证实现控制设备间的实时通讯。这主要是由于标准的以太网协议是以CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，载波监听多路访问/冲突检测)技术为根底的，网洛上的各工作站对总线进展“监听以确认总线是否空闲。假如空闲，它们就开场发送数据。假如两

4、个工作站同时试图发送数据，冲突就产生了。在这种情况下，访问机制首先确保工作站停顿传输数据，而后根据预定义的随机选择算法，工作站再次尝试发送数据。这个经过一直重复至冲突消失。上述机制保证了数据的平安发送，可是从确定性行为的角度来看，这却是一个很大的障碍。它允许数据传输时间可以被任意推延，也就不能实现数据的实时通讯。要想使以太网技术在不改变其现有标准的前提下更好的应用到工控领域，就要找到一种解决方案来解决这个问题。3.的实时性方案为了进步以太网的实时性，必须对通讯模型进展修改，目前有以下三种方案： (1)修改TCP(UDP)/IP协议栈,增加实时调度来控制通讯中的不确定因素,典型协议如Modbus

5、/TCP、Ethernet/IP等。这种方案的响应时间为几十毫秒，一般称为软实时，合适100ms以上实时性要求的工厂级控制领域。例，Modbus/TCP并未对Modbus本身的协议进展修改，而是将Modbus帧嵌入到TCP帧中，并采用面向连接的方式，每一个恳求都要求一个应答。这种恳求/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使得交换式以太网具有很高确实定性。 (2)修改数据链路层之上的协议如改变帧构造、优化调度方式等来保证实时性，但不改变硬件方案，典型的协议如EthernetPowerlink、Profinet和EPA。这种方案的响应时间为110毫秒，一般称为硬实时，合适经过控制领域。例

6、，EthernetPowerlink引入了SCNM(时间槽通讯网络治理)算法来保证通讯的实时性。SCNM给同步数据和异步数据分配时槽，保证在同一时间只有一个设备可以占用网络，进而防止了网络冲突。在通讯治理上引入了治理节点(MN)和控制节点(CN)，并将通讯周期分为开场阶段、同步阶段、异步阶段和空闲阶段，使得每个周期可以有对应的时间域用于传输实时数据和标准以太网数据流，既能保证数据通讯的实时性，又能传输标准的以太网数据。 (3)修改数据链路层协议，在实时通道内由实时MAC接收通讯控制,防止报文冲突,简化数据处理,典型的协议如EtherCAT、SERCOSIII、MECHATROLINKIII等。

7、这种方案带准确的时钟同步,响应时间为250s到1ms,抖动小于1s,一般称为同步硬实时工业以太网，主要用于运动控制领域。例，EtherCAT协议采用主从构造，主站负责提议EtherCAT报文帧，由于采用标准以太网的帧头和帧尾，主站可以使用标准以太网的物理层和数据链路层，即PC机的标准网口。从站需要根据地址从数据帧中提取输入数据并插入输出数据该帧的格式，该工作是在数据链路层由FMMU模块完成的，需要专门的MAC层芯片实现。4.小结解决以太网实时性的根本思路：首先是明确传输通道，防止冲突;其次是减少处理时间，进步响应速度。其中第一点可以在MAC层实现，也可以在TCP/IP层实现，甚至在TCP以上的层实现。但实现的位置越靠近应用层，复用标准以太网的环节就越多，编解码等处理工作就越复杂，实时性也越差。而靠近物理层的实现方法需要放弃通用的以太网协议，甚至采用专用MAC芯片，这会带来开发难度的进步和本钱的增加。