解決以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時性的幾種方案

1、解決以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時性的幾種方案摘要以太網(wǎng)技術(shù)以其低成木、高速、高穩(wěn)定性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸向工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域發(fā)展，但是 由于以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場通信方面不能滿足實(shí)時性的要求，因此就誕生了許多實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)的解決方 案。本文主要介紹現(xiàn)今比較流行的兒種實(shí)時以太網(wǎng)協(xié)議，以及它們?nèi)绾卧诠I(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上對協(xié)議進(jìn)行 改進(jìn)，以滿足工業(yè)現(xiàn)場對實(shí)時通信的耍求。1概述在工業(yè)控制系統(tǒng)屮，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展使智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分 支結(jié)果的通信控制網(wǎng)絡(luò)相連，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展。但是由于各類現(xiàn)場總線標(biāo) 準(zhǔn)z間的不可兼容性無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。另

2、一方面,以太網(wǎng)技術(shù)作為壟斷辦公自 動化領(lǐng)域的通倍技術(shù)，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢，得到了工控界越 來越多的關(guān)注和認(rèn)可。川以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場層的i致性通信，人們習(xí)慣上將應(yīng)川到工 業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)稱為“工業(yè)以太網(wǎng)”。工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)不同，工業(yè)數(shù)據(jù)通信不僅要解決信號的互通和設(shè)備的互連，而i需要解決 信息的互通問題，即信息的互相識別、互相理解和互可操作。所謂信號的互通，即兩個需要互相通信的設(shè)備所 采用的通信介質(zhì)、信號類型、信號人小、信號的輸入/輸出匹配等參數(shù)，以及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議符合同i標(biāo)準(zhǔn), 不同的設(shè)備能連接在同一網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)互連。如果僅僅實(shí)現(xiàn)設(shè)

3、備互連，但沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議（如應(yīng)用層協(xié)議）, 那么不同設(shè)備之間還是不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義,就不能實(shí)現(xiàn)信息互通，也就不町能實(shí)現(xiàn)開 放系統(tǒng)z間的互可操作。互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上、不同廠家的設(shè)備z間，通過統(tǒng)一應(yīng)用層協(xié)議 進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換。這是工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于一般it網(wǎng)絡(luò)的重要待點(diǎn)。對工業(yè)控制來說，還有一個很巫耍的區(qū)別就是實(shí)時性。實(shí)時性的一個巫耍標(biāo)志就是時間的確定性，通 信時數(shù)據(jù)傳輸時間不是隨機(jī)的，而是可事先確定的。一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)在一個可準(zhǔn)確預(yù)見的時間范圍 內(nèi)做出反應(yīng)。反應(yīng)速度山被控制過程來決定。對于高傳動性的系統(tǒng)，實(shí)時性的要求就要更高了

4、。址然以太網(wǎng)具冇比現(xiàn)場總線高許多的傳輸速率，但是卻不能保證實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備間的實(shí)時通信。這主要 是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議是以 csma/cd （carrier sense multiple access / collision detection,載波*多 路訪問/沖突檢測）技術(shù)為某礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)上的各工作站對總線進(jìn)行“"以確認(rèn)總線是否空閑。如果空閑，它們就 開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個工作站同時試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，沖突就產(chǎn)生了。在這種情況下，訪問機(jī)制首先確保工作站 停止傳輸數(shù)據(jù)，而后根據(jù)預(yù)定義的隨機(jī)選擇算法，工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程一直匝復(fù)直至沖突消 失。上述機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送，可是從確定

5、性行為的角度來看，這卻是一個很大的障礙。它允許數(shù)據(jù) 傳輸時間可被任意推遲，也就不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時通信。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其現(xiàn)冇標(biāo)準(zhǔn)的前提下 更好地應(yīng)用到工控領(lǐng)域，就要找到一種解決方案來解決這個問題。為此，各大公司開始研究基于以太網(wǎng)的通信的實(shí)時性問題，并各自提出了不同的解決方案。有些成果 已得到了工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)委員會的認(rèn)可，并寫入新的標(biāo)準(zhǔn)屮。下面就介紹幾種解決方案，看他們是如何保證通信實(shí)時性的。2兒種解決方案分析2.1 ethernetpowerlink這個方案是宙奧地利貝加萊公司提出的ethernet powerlink所采用的解決方法。ethernet powerlink 是以快速以太網(wǎng)

6、為基礎(chǔ)開發(fā)出來的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。貝加萊公司的目標(biāo)是在快速以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng) 建一個高速的、實(shí)時的、確定性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，使抖動降到很小（小于1 ps）,同時在 不影響循環(huán)通信的情況下處理非循環(huán)的數(shù)據(jù)。而h, i/o與驅(qū)動數(shù)據(jù)能夠在相間以及與pcc系統(tǒng)間完 成同步傳輸。因?yàn)槭峭耆⒃跇?biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng)z上，所以ethernet powerlink完全符合標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 和物理特性，且能夠與it技術(shù)無縫連接，傳輸速率為100 mbps,最小循環(huán)周期為200 pso使用帶rj45 插頭的標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電纜（超五類電纜）。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С中切?、樹型和菊花鏈型結(jié)構(gòu)，單個網(wǎng)段最多可以連接 24

7、0個實(shí)時站點(diǎn)。由于有實(shí)時性的要求，因此不允許使用交換機(jī)，只能使用集線器作為連接設(shè)備。2.1.1 ethernet powerlink 的報文幀格式以太網(wǎng)吻頭powerlink報文幀 以太網(wǎng)抽用圖1 powerlink報文幀格式報文幀格式采用了標(biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng)的幀頭、幀尾，如圖1所示。在以太網(wǎng)幀頭后面的是實(shí)際的powerlink 報文，包括服務(wù)標(biāo)識(sid)、目標(biāo)地址(da)、源地址(sa)和數(shù)據(jù)(data),其中l(wèi)ength/type字段的 值500,這是一個保留的ethertype,用于唯一地識別powerlink的報文幀。其中：sid 包括 soc(start of cyclic)、eoc(

8、end of cyclic)、pollreq、pollres、asynclnvite、asyncsend、 asyncacknack： da為目標(biāo)地址；sa為源地址。2.1.2 ethernet powerlink 的工作原理雖然標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)是以csma/cd技術(shù)為基礎(chǔ)的，但csma/cd的工作原理決定了它不能實(shí)現(xiàn)通信的 確能性，丁是ethernet powerlink引入了 scnm (時間槽通佶網(wǎng)絡(luò)管理)算法來保證實(shí)時以太網(wǎng)通信的確 定性。scnm給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時槽，保證在同一時間只有一個設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)媒介，從而徹底 杜絕了網(wǎng)絡(luò)沖突的發(fā)生。ethernet powerlink在

9、通信管理上引入了管理節(jié)點(diǎn)(mn)和控制節(jié)點(diǎn)(cn)。整 個網(wǎng)絡(luò)冇唯一的管理節(jié)點(diǎn),所以控制節(jié)點(diǎn)在管理節(jié)點(diǎn)上登記組態(tài)，管理節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,為各個 節(jié)點(diǎn)z間數(shù)據(jù)通信分配時間倍道。只有管理節(jié)點(diǎn)nj以獨(dú)立地發(fā)送數(shù)據(jù)，nj以以廣播的形式或指定發(fā)送；而 控制節(jié)點(diǎn)只有在得到允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，且僅以廣播的形式，其他的節(jié)點(diǎn)可以接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行監(jiān)督。對 于實(shí)時數(shù)據(jù)，信道時間較'窄，可以務(wù)確管理；對于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，首先拆成小包，然后納入相應(yīng)的信 道進(jìn)行管理，因而數(shù)據(jù)也是確定性的2。時間槽通信的周期包括開始階段、同步階段、異步階段和空閑階段，如圖2所示。圖2 powerlink的通信周期毎個階段的時

10、間山管理節(jié)點(diǎn)預(yù)先設(shè)置，長度可以不同。管理節(jié)點(diǎn)隨時監(jiān)控循環(huán)時間，以保證預(yù)設(shè)的時 間不會發(fā)生沖突，一旦沖突發(fā)生，將自動延續(xù)到下一個循環(huán)的開始位置。開始階段：管理節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送soc幀開始通信周期。此幀發(fā)出后，各節(jié)點(diǎn)就此同步。只冇soc幀由 時間控制，其他幀由事件控制。同步階段：所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步信息交換。管理節(jié)點(diǎn)按照一個預(yù)先定義的順序給某站發(fā)送-個pollpeq 幀，要求此節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；此節(jié)點(diǎn)得到允許后以廣播的形式發(fā)出一幀pollres冋應(yīng)信息，所有節(jié)點(diǎn)都可以 接收到這幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，也包括那些應(yīng)該得到這幀數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。polireq和pollres都 可以傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)。管理節(jié)點(diǎn)循環(huán)訪問完

11、所冇節(jié)點(diǎn)后廣播發(fā)送eoc幀指示同步結(jié)束。異步階段：當(dāng)確認(rèn)隊(duì)列中無實(shí)時數(shù)據(jù)交換需耍時，系統(tǒng)進(jìn)入異步階段，異步通信主耍傳輸標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)流。如果控制節(jié)點(diǎn)要發(fā)送異步數(shù)據(jù)，會在pollres幀中通知管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)查詢異步數(shù)據(jù)請求對 列，發(fā)送“界步數(shù)據(jù)發(fā)送邀銷(alnvite) ”給要發(fā)送界步數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。這時控制節(jié)點(diǎn)就町以發(fā)送異步數(shù)據(jù)到 指定的節(jié)點(diǎn)。通過時間槽通信發(fā)送的數(shù)據(jù)報文會在接收節(jié)點(diǎn)還原成原始數(shù)據(jù)包?？臻e階段：在完成異步傳送數(shù)據(jù)厲尚剩下的時間段。在這個時間段，所以網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)都處于等待狀態(tài)， 等待下一循環(huán)的開始。這個時間是個變量，也可能是0。ethernet powerlink在通信管理上引入

12、的時間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理，使每個通信周期町以仃對應(yīng)的時間域用 于傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，既能在保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時性要求，又能傳輸標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的兼容。h前，實(shí)時開放的ethernet powerlink工業(yè)以太網(wǎng)已順利通過iec國際標(biāo)準(zhǔn)。所有文檔都已通過iec 組委會批準(zhǔn),ethernet powerlink 已被納入 iec 國際標(biāo)準(zhǔn) 617842> 61158300. 61158400. 61158500 和 61158600c2.2總線內(nèi)存管理和ieee1588機(jī)制這種解決方法就是由德國倍福公司提出的ethercat(ethernet for contro

13、l automation technology)。它得到了 etg組織的支持，是個可用丁現(xiàn)場級的超高速i/o網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)進(jìn)的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以 太網(wǎng)卡，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線或光纖。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是線型、樹型和星型結(jié)構(gòu)。ethercat使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá) 到一個新的境界，可以在30 ps內(nèi)處理1 000個i/o的刷新，包括循環(huán)的時間；可以在一個以太網(wǎng)幀中交 換多達(dá)1 468個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)(這幾乎相當(dāng)于12 000個數(shù)字的輸入或輸出)，且僅需300 ps°同時， 采用ieee1588標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精確時間同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布時鐘精確同步，保證了控制器的同步時間偏秀小于1 |jsoethercat報

14、文幀格式采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的幀頭和幀尾，且?guī)^中type段的值為0x88a4時，是一個唯 一識別ethercat報文的標(biāo)志。ethercat的報文直接包括在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中，且在數(shù)據(jù)區(qū)域并不是只有一個 ethercat的報文，而是包括n個報文。n表示在系統(tǒng)小所包含的節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。每個報文中包括幀頭、數(shù)據(jù) 和wkc (working counter)，用于記錄通過報文可以成功尋址的設(shè)備數(shù)量。ethercat報文幀格式如圖3 所示。報文検帙頭長度01ifeihercat報文crc二 j - 一-一 "ethcicatih 文 ethcfcat報文 n10字節(jié)以太網(wǎng)賴頭報文祕以太網(wǎng)幀毘17嬴、廠11

15、位 1位4位 ' 441498字節(jié)i報文幀頭i0t4x6字節(jié)數(shù)據(jù)wkc圖3 ethercat報文幀格式ethercat突破了其他以太網(wǎng)的解決方案的限制，不必在每個連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼 并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。而且為了避免通信總線傳輸?shù)难舆t，德國倍福公司率先在ethercat中使用了 fmmu (fieldbus memory management unit)前沿技術(shù)。整個系統(tǒng)只有一個主站用于系統(tǒng)的控制，其他的都是 從站，當(dāng)數(shù)據(jù)報文從主站被發(fā)岀以后，每個從站中的fmmu就可以讀岀數(shù)據(jù)報文中指定到此的數(shù)據(jù)。同樣， 輸入數(shù)據(jù)可以在數(shù)據(jù)報文通過時插入到報文中，報文僅有兒ns延遲。網(wǎng)絡(luò)

16、內(nèi)的最后一個從站向主站發(fā)送一 個完整的幀，以形成和創(chuàng)建一個物理和邏輯環(huán)。ethercat還通過內(nèi)部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實(shí)時以太網(wǎng)幀比其他 的數(shù)據(jù)（如組態(tài)或診斷數(shù)據(jù)等）具有更高的優(yōu)先級。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)的間隙中傳輸（如果時間 間隙足夠傳輸），或者通過特定的通道傳輸3。在同步方面，ethercat采用ieee1588標(biāo)準(zhǔn)中定義的精確時鐘同步機(jī)制，通過一個同步信號周期性地 對網(wǎng)絡(luò)中所冇站點(diǎn)的時鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以人網(wǎng)的分布式運(yùn)動控制系統(tǒng)達(dá)到精確同步。這在廣 泛耍求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，而分布時鐘的精確校準(zhǔn)是同步的繪有效解決方案。在 ethercat中，數(shù)據(jù)交換是完全基于哽件“主

17、時鐘”和“了時鐘”的。每個時鐘可以簡單和準(zhǔn)確地確定另個時 鐘的實(shí)時偏移就，分布時鐘基于該值進(jìn)行調(diào)整，這意味君它可以在網(wǎng)絡(luò)范用內(nèi)捉供信號抖動小于1 ps的、 非常精確的時鐘基。而i高性能分布時鐘不僅可以用于同步，還可以用于捉供數(shù)據(jù)采集時木地時間的楮確 信息。同時，ethercat引入了時間戳數(shù)據(jù)類型作為擴(kuò)展，使得對于速度的精確計(jì)算比鬥由同步誤差測量技 術(shù)更加精確。ethercat作為一種可用于現(xiàn)場級的超高速的i/o網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)方面已經(jīng)開發(fā)出專用的芯片和從站控制 器，也已經(jīng)成為iec617842標(biāo)準(zhǔn)的一部分。2.3網(wǎng)段分隔和通信調(diào)度管理epa通信標(biāo)準(zhǔn)是我國第一個擁冇自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家標(biāo)準(zhǔn)，

18、全稱是用于工業(yè)測量與控 制系統(tǒng)的epa通信標(biāo)準(zhǔn)。它是在國家科技部“863”計(jì)劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽 自動化研究所、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)和大連理工大學(xué)等單位聯(lián)合成立的標(biāo)準(zhǔn)起草小組，經(jīng)過3年多的 技術(shù)攻關(guān)，而提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時通信控制系統(tǒng)解決方案。在epa系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域?yàn)橐粋€微網(wǎng)段。這種方案能夠完全 避免沖突的發(fā)生，每個微網(wǎng)段通過epa網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)epa設(shè)備間的通信被限制在本 控制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的epa設(shè)備間的通信，需由和應(yīng)的 epa網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)控制。epa網(wǎng)橋至少有2個

19、epa接口，當(dāng)它需要轉(zhuǎn)發(fā)報文時，首先檢查報文中的源ip地址、 目的ip地址和epa服務(wù)標(biāo)識等信息，以確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報文 的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，不會發(fā)生采用一般交換機(jī)所出現(xiàn)的廣播風(fēng)暴。這一方案比單純集線器方式的反應(yīng)速 度更快，抖動也更小。2.3.1實(shí)時問題的解決方案為了提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性能，epa對iso / iec8802.3協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了一個 epa 通信調(diào)度管理實(shí)體（communication scheduling management entity,csme）。csme 不改變 iec8802.3數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，也不改變與物理層的接口，只是完成對數(shù)據(jù)報文的調(diào)度管理，包括周 期報文和非周期報文的調(diào)度。對于非周期報文，csme不作任何處理直接傳輸；而對于周期性的報文，則 耍先根據(jù)事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級人小，傳送給數(shù)據(jù)傳送設(shè)備，經(jīng)過處理厲再傳到網(wǎng)絡(luò)上，以避免 同時向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報文沖突。2.3.2通信調(diào)度機(jī)制在周期報文傳輸