1.工業(yè)以太網(wǎng)

自20世紀(jì)80年代以來，為了滿足工廠企業(yè)內(nèi)部信息結(jié)成、綜合自動(dòng)化的需求，各大公司設(shè)計(jì)開發(fā)了多種現(xiàn)場總線協(xié)議，其中有20種被納入IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)。但這些總線協(xié)議之間并不兼容，且現(xiàn)場總線的實(shí)現(xiàn)成本一般都比較高，開發(fā)難度也相對(duì)較大，阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。

以太網(wǎng)作為當(dāng)今科技發(fā)展標(biāo)志性技術(shù)，已經(jīng)在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中取得成功，并普及到管理層及過程控制層。如果進(jìn)一步在現(xiàn)場設(shè)備層中推廣，能極大方便整個(gè)企業(yè)信息系統(tǒng)的垂直集成。因此大部分現(xiàn)場總線均已開始向以太網(wǎng)領(lǐng)域擴(kuò)展，融合出工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)繼承了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的物理層并兼容其數(shù)據(jù)鏈路層，因此能采用高性價(jià)比的標(biāo)準(zhǔn)PHY芯片及RJ45連接器，在減少成本的同時(shí)降低開發(fā)難度。目前工業(yè)以太網(wǎng)種類較多,國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61784包含有Modbus,Ethernet/IP,ProfiNet,Tcnet,Vnet/IP,Powerlink,EtherCAT以及SercosIII等。

2.實(shí)時(shí)性及相關(guān)問題

實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)間的確定性，一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)在一個(gè)可準(zhǔn)確預(yù)見的時(shí)間范圍內(nèi)做出反應(yīng)。

工業(yè)應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的需求根據(jù)應(yīng)用場合可大致分為三個(gè)等級(jí)：工廠級(jí)的控制需求要求響應(yīng)時(shí)間在1s左右即可，而過程級(jí)控制一般需要響應(yīng)時(shí)間在10~100ms以內(nèi)，實(shí)時(shí)性要求最高的是運(yùn)動(dòng)控制，要求響應(yīng)時(shí)間在1ms以下，甚至達(dá)到幾十us的量級(jí)。

以太網(wǎng)的傳輸速率可達(dá)100Mbps甚至1Gbps，足以滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，但是卻不能保證實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。這主要是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議是以CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)技術(shù)為基礎(chǔ)的，網(wǎng)洛上的各工作站對(duì)總線進(jìn)行“監(jiān)聽”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(gè)工作站同時(shí)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(gè)過程一直重復(fù)至沖突消失。上述機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送，可是從確定性行為的角度來看，這卻是一個(gè)很大的障礙。它允許數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可以被任意推遲，也就不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的前提下更好的應(yīng)用到工控領(lǐng)域，就要找到一種解決方案來解決這個(gè)問題。

3.工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性方案

為了提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，必須對(duì)通信模型進(jìn)行修改，目前有以下三種方案：

(1)修改TCP(UDP)/IP協(xié)議棧,增加實(shí)時(shí)調(diào)度來控制通信中的不確定因素,典型協(xié)議如Modbus/TCP、Ethernet/IP等。這種方案的響應(yīng)時(shí)間為幾十毫秒，一般稱為軟實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，適合100ms以上實(shí)時(shí)性要求的工廠級(jí)控制領(lǐng)域。

例，Modbus/TCP并未對(duì)Modbus本身的協(xié)議進(jìn)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(gè)請(qǐng)求都要求一個(gè)應(yīng)答。這種請(qǐng)求/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus的主/從機(jī)制互相配合，使得交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性。

(2)修改數(shù)據(jù)鏈路層之上的協(xié)議如改變幀結(jié)構(gòu)、優(yōu)化調(diào)度方式等來保證實(shí)時(shí)性，但不改變硬件方案，典型的協(xié)議如EthernetPowerlink、Profinet和EPA。這種方案的響應(yīng)時(shí)間為1～10毫秒，一般稱為硬實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，適合過程控制領(lǐng)域。

例，EthernetPowerlink引入了SCNM(時(shí)間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理)算法來保證通信的實(shí)時(shí)性。SCNM給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時(shí)槽，保證在同一時(shí)間只有一個(gè)設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)，從而避免了網(wǎng)絡(luò)沖突。在通信管理上引入了管理節(jié)點(diǎn)(MN)和控制節(jié)點(diǎn)(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(gè)周期可以有對(duì)應(yīng)的時(shí)間域用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，既能保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，又能傳輸標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。

(3)修改數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在實(shí)時(shí)通道內(nèi)由實(shí)時(shí)MAC接管通信控制,避免報(bào)文沖突,簡化數(shù)據(jù)處理,典型的協(xié)議如EtherCAT、SERCOSIII、MECHATROLINKIII等。這種方案帶精確的時(shí)鐘同步,響應(yīng)時(shí)間為250μs到1ms,抖動(dòng)小于1μs,一般稱為同步硬實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，主要用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。

例，EtherCAT協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)，主站負(fù)責(zé)發(fā)起EtherCAT報(bào)文幀，因?yàn)椴捎脴?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的幀頭和幀尾，主站可以使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，即PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口。從站需要根據(jù)地址從數(shù)據(jù)幀中提取輸入數(shù)據(jù)并插入輸出數(shù)據(jù)該幀的格式，該工作是在數(shù)據(jù)鏈路層由FMMU模塊完成的，需要專門的MAC層芯片實(shí)現(xiàn)。

4.小結(jié)

解決以太網(wǎng)實(shí)時(shí)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(shí)間，提高響應(yīng)速度。其中第一點(diǎn)可以在MAC層實(shí)現(xiàn)，也可以在TCP/IP層實(shí)現(xiàn)，甚至在TCP以上的層實(shí)現(xiàn)。但實(shí)現(xiàn)的位置越靠近應(yīng)用層，復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的環(huán)節(jié)就越多，編解碼等處理工作就越復(fù)雜，實(shí)時(shí)性也越差。而靠近物理層的實(shí)現(xiàn)方法需要放棄通用的以太網(wǎng)協(xié)議，甚至采用專用MAC芯片，這會(huì)帶來開發(fā)難度的提高和成本的增加。