工业实时以太网：现场总线与以太网技术在工业自动控制系统中运用的必然趋势
8.1 工业自动化中的以太网
8.1.1 现场总线和以太网
既要不断提高机械设备的生产率，又要降低成本，这始终是工业自动化不断创新的动力。在这种动力的推动下，20年前INTERBUS现场总线应运而生，成为世界上第一个用于传输过程数据的传感器/执行器现场总线系统。现场总线技术采用串行通信取代传统的PLC并行接线方式，采用数字信号取代4~20mA模拟量信号传输，是通信技术应用到工业自动化领域的一次技术革新。
由于采用特殊的集总帧传输协议和环型/树型结构，INTERBUS系统不仅具有快速、周期和等时数据通信极其出色的性能，而且也提供综合诊断功能，实现故障快速处理，使停机时间降至最短。同时由于光纤的灵活使用，而具有极强的抗干扰能力。由于与传感器和执行机构的连接价格低廉，所以INTERBUS现场总线系统迅速被用户广泛地接受。截止到2006年底，INTERBUS在世界各地的安装量超过1100万个节点，在为数众多的工业现场超过90万套应用系统。INTERBUS CLUB采用Frost-Sullivan调查评估法经过准确计算，INTERBUS现有的安装节点总值超过14亿美元。
图8-1 INTERBUS总线传输协议
当今销售市场的特点是随着各种产品品种的不断增加，产品的生命周期越来越短。例如，1990年汽车的生命周期是9.5年，一个生产线平台可生产8种汽车车型（轿车、旅行车及敞篷车等）的生产。而在现在，生命周期平均只有6.5年，同样一个平台要生产一个汽车品牌的14种不同车型。能够提升大量生产的成本效益，比通常情况更早地收回投资（ROI）对生产制造厂来说是必需的。为此，需要不断地降低开发和工程费用，该费用占整个成本的较大份额；同时应该确保现有的解决方案能够简单地集成到新概念的系统中。这样一来，为了挖掘新的生产潜力，公司内部的通信体系结构就成了决定因素。
当前，公司网络的特点是生产区许多孤岛解决方案之间，以及工厂与监控级之间复杂的耦合连接和数据交换机制。不做极大努力，要想完成对于精确加工和生产控制十分重要的机器数据进行透明访问是不可能的。因而，目标是必须开发一个统一的网络体系结构，它将保证所有的机器设备部件联网，而且能够连接到生产规划和公司监控级。实现上述目标的关键是统一采用以太网。如图8-2所示，由于具有统一的网络体系结构功能，随着公司的增值开发过程，以太网将逐步连接孤岛解决方案。
图8-2 采用以太网的统一网络体系结构
以太网具有世界统一的通信标准，在办公通信中占据了80%以上的份额，在工业环境中它也已经用于分散机器设备区段间的相互连接，以及与上一级系统的连接。在工厂自动化行业其优点是无缝传输大容量数据，同时可交换各种服务，并能使用标准组件和工具。目前，低实时能力和高抖动是其最薄弱的地方。为此，各家制造商和组织都在积极开发扩展的以太网协议，它们将满足工业现场通信的特定需要。
8.1.2 实时以太网通信
一个系统是否具有实时能力基本上取决于相关应用的需求。通常，我们把传统的现场总线例如INTERBUS，PROFIBUS或者DeviceNet/CAN描述成具有实时能力。在所有的情况下，实时能力只是一个定义问题。如果信号和达到的响应时间满足任务需求，那么这个就可以定义为实时。如果这个时间是完全确定的，那么我们称这个系统是“具有硬实时能力”。在一个确定性系统中，例如SERCOS和INTERBUS，除了系统相关的偏差（抖动）外，CPU信号的计算可以精确至微秒级。实时性和确定性是采用TCP/IP通信的标准以太网最大的弱点之一，因此也是工业以太网协议需要解决的两个关键问题。
系统在任何环境下和在任何操作条件下对所有事件作出正确而及时响应的能力可以描述为“具有实时能力”。通常，实时能力的需求是用保证响应时间来表达的。
在一个由分布式组件组成的系统中，组件特性以及设备之间所使用的总线特性都起着十分重要的作用。需要考虑的值是通信系统的参数，例如网络吞吐量（带宽），等待时间，等待时间偏差（抖动）和同步性。对于一个必须要完成同步操作的任务而言，其各个网络节点的同步性尤其关键。
一个系统如果其使用的组件满足下列相关要求的，则其具有实时能力。
l 终端设备在规定时间内处理数据。
l 设备之间的数据传输在确定时间内完成。
l 当交换机用于分发以太网报文时，必须在固定的时间内完成。
以太网最初的CSMA/CD方法由于存在冲突而造成延迟不能排除，因而已不再适用。目前，在使用以太网时，有许多不同的策略可用于实现两节点之间的通信达到确定的响应时间。
对于基于以太网的实时通信的未来标准，就控制系统硬件、I/O终端设备和基础设施有各种需求。值得注意的是，各种架构所使用的以太网通信技术也不一样。Ethernet/IP需要一个强大的交换技术，而在I/O组件应用方面相对来说简单得多。Powerlink则需要集线器技术作为其基础设施，这是因为假设由于其稳定的通信顺序，而没有冲突发生。PROFINET RT数据传输要求交换机支持IEEE802.Q定义的虚拟局域网VLAN标签，通过优先级排序，从而使实时数据能作为优先级高的信息快速转发至控制系统。对于EtherCAT和PROFINET IRT，在网络设备中应用了专门ASIC，用来及时地在协定点传输设备数据，以使实时通信得以实现。
要保证像以太网这样的分布式网络协议的实时性十分困难，因为站点传输准备就绪并不能协调一致。当每个站点从上一协议层接收到待转发的数据时，开始进行传输，而且传输通道是空闲的。以太网控制器从IP层接收数据包的时刻点视站点内部或外部事件而定。
确定性的响应可以采用以下两种方法得到：
l 使用时间戳，可以根据时间分配帧，即使是实际的传输不再同步。
l 采用固定时间槽模式进行同步的通信，为每条信息和每个设备分配固定时间槽，确保了时分复用多路中无冲突传输（TDMA—时分复用多路存取）。
两个方法的需求是所有站点都要以相同的同步时间基准进行操作。一个根本的问题是如果在传输路径中没有确定性通信，则如何同步分布站点的时钟。目前已经提出许多解决该问题的方法。下面将介绍其中两个主要的解决方法。
网络时间协议（NTP）被用来同步分布的时间服务器和客户机。在层次性的NTP模型中，一些参考资源被连接到通常可访问到的网络设备（主时间服务器）上。主时间服务器（第一层）包含了一个基于一个GPS信号的参考时钟，一个广播时间频率或者一个内部的时钟（在自主系统中）。NTP的任务就是协调这些主时间服务器和低层服务器之间的时间信息。
NTP的一个简化版，简单网络时间协议（SNTP），是为自动化技术中性价比更优的系统而开发的。SNTP目前是第四版，它能使得通过远程调用（RPC）进行简单无国界操作。SNTP是基于UDP/TIME协议算法之上的。
IEEE1588被称为是“用于网络测量与控制系统的精确时钟同步协议”，简称精确时间协议（PTP）。它为大量分布式实时时钟的同步定义了方法和程序，而这些分布式实时时钟是通过发送数据包的网络相连的。
IEEE1588标准由三个方面组成：
l 用于PTP网络自动分割的方法
l PTP时钟的设计
l 网络化PTP时钟的同步
PTP提供了如下的解决办法：如果所有的设备都相连且可以被寻址，其中一个设备被用来作为主时钟。在图8-3中，即设备A。它发送一个由软件生成的初始同步信号到总线上，其中包含本地时间（T aa）和协议栈延时的预估值（软件延时）。当前的传送时间被硬时钟记录(T ab)，传送给软件驱动，并在第二个报文（follow-up）中发送。接收者可以用第一个报文，第二个报文以及它自身的时钟(T ad和T bd)来计算出与主时钟之间的时间差。这个同步过程在同步信号周期内重复执行。所需时钟频率是基于所期望的精确性、晶振的稳定性以及系统中温度的波动。在协议范围内该值可介于0.125Hz到0.5Hz之间。
图8-3 时钟同步
主时钟监控是由最佳主时钟(BMC)算法决定。每个PTP时钟必须在规定的数据集中发布其属性，以为所有的总线设备都可以访问得到。这将使设备决定它们是作为主设备，还是从设备进行操作。
8.1.3 工业以太网标准
在一些大公司和组织的强力支持下，工业以太网协议最近几年发展非常迅速，基于以太网的方案已经越来越多地用于工业数据通信。在现场总线国际标准IEC61158第三版中，纳入了基于以太网概念的PROFINET、Ethernet/IP和Fieldbus Foundation HSE。与此同时，IEC SC65C委员会开始启动一个新工作项目IEC61784-2 “基于ISO/IEC8802-3通信网络实时应用的附加行规”标准制定工作。相应的活动在IEC SC65C/WG11 “实时以太网（RTE）”第11工作组中进行，该工作组将定义通信行规直至2007年8月。此外IEC61158标准已经包括了通信系统的RTE扩展方案，如PROFINET IO。其它基于以太网的解决方案，如MODBUS TCP，EPA，EtherCAT，PowerLink等，其基本规范现已作为PAS（Publicly Available Specification）公共可用规范发表，并将进入2007年底完成的IEC61158下一个版本。这其中，EPA是由浙大中控推出的工业以太网标准，它是我国制定的第一个拥有自主知识产权的工业自动化国际标准。
2004年，INTERBUS Club正式宣布全面支持Profinet工业以太网。INTERBUS Club和Profibus User Organization组成联合工作组，共同开展PROFINET协议规范的制定工作。这意味着在全球应用最为广泛的两种现场总线Profibus和INTERBUS都支持Profinet技术，从而保护了制造商与用户在更新换代自动化产品和解决方案时所做的大量投资，保证从现场总线到以太网技术的平滑过渡。
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