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1 概述 在工業(yè)控制系統中，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展使智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統以全數字式、雙向傳輸、多分支結果的通信控制網(wǎng)絡(luò )相連，使工業(yè)控制系統向分散化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化發(fā)展。但是由于各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)標準之間的不可兼容性無(wú)法實(shí)現統一，阻礙了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。另一方面，以太網(wǎng)技術(shù)作為壟斷辦公自動(dòng)化領(lǐng)域的通信技術(shù)，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高穩定性等諸多優(yōu)勢，得到了工控界越來(lái)越多的關(guān)注和認可。用以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現從管理層到工業(yè)現場(chǎng)層的一致性通信，人們習慣上將應用到工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)稱(chēng)為“工業(yè)以太網(wǎng)”。 工業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )不同,工業(yè)數據通信不僅要解決信號的互通和設備的互連,而且需要解決信息的互通問(wèn)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(gè)需要互相通信的設備所采用的通信介質(zhì)、信號類(lèi)型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等參數，以及數據鏈路層協(xié)議符合同一標準,不同的設備能連接在同一網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現互連。 如果僅僅實(shí)現設備互連,但沒(méi)有統一的高層協(xié)議(如應用層協(xié)議),那么不同設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)現信息互通,也就不可能實(shí)現開(kāi)放系統之間的互可操作�；タ刹僮餍允侵高B接到同一網(wǎng)絡(luò )上、不同廠(chǎng)家的設備之間，通過(guò)統一應用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用,性能類(lèi)似的設備可以實(shí)現互換。這是工業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )區別于一般IT 網(wǎng)絡(luò )的重要特點(diǎn)。 對工業(yè)控制來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)很重要的區別就是實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要標志就是時(shí)間的確定性，通信時(shí)數據傳輸時(shí)間不是隨機的，而是可事先確定的。一個(gè)事件發(fā)生后，系統在一個(gè)可準確預見(jiàn)的時(shí)間范圍內做出反應。反應速度由被控制過(guò)程來(lái)決定。對于高傳動(dòng)性的系 統，實(shí)時(shí)性的要求就要更高了。 雖然以太網(wǎng)具有比現場(chǎng)總線(xiàn)高許多的傳輸速率，但是卻不能保證實(shí)現控制設備間的實(shí)時(shí)通信。這主要是因為標準的以太網(wǎng)協(xié)議是以CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/CollisionDetection，載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測)技術(shù)為基礎的，網(wǎng)絡(luò )上的各工作站對總線(xiàn)進(jìn)行“監聽(tīng)”以確認總線(xiàn)是否空閑。如果空閑,它們就開(kāi)始發(fā)送數據。如果兩個(gè)工作站同時(shí)試圖發(fā)送數據,沖突就產(chǎn)生了。在這種情況下,訪(fǎng)問(wèn)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(fā)送數據。這個(gè)過(guò)程一直重復直至沖突消失。上述機制保證 了數據的安全發(fā)送，可是從確定性行為的角度來(lái)看,這卻是一個(gè)很大的障礙。它允許數據傳輸時(shí)間可被任意推遲，也就不能實(shí)現數據的實(shí)時(shí)通信。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其現有標準的前提下更好地應用到工控領(lǐng)域，就要找到一種解決方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 為此，各大公司開(kāi)始研究基于以太網(wǎng)的通信的實(shí)時(shí)性問(wèn)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)現場(chǎng)標準委員會(huì )的認可，并寫(xiě)入新的標準中。 下面就介紹幾種解決方案，看他們是如何保證通信實(shí)時(shí)性的。 2 幾種解決方案分析 2.1 Ethernet Powerlink 這個(gè)方案是由奧地利貝加萊公司提出的Ethernet Powerlink 所采用的解決方法。EthernetPowerlink 是以快速以太網(wǎng)為基礎開(kāi)發(fā)出來(lái)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。貝加萊公司的目標是在快速以太網(wǎng)的基礎上，創(chuàng )建一個(gè)高速的、實(shí)時(shí)的、確定性的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。利用高速循環(huán)數據交 換，使抖動(dòng)降到很小(小于1 μs),同時(shí)在不影響循環(huán)通信的情況下處理非循環(huán)的數據。而且，I/O與驅動(dòng)數據能夠在相互之間以及與PCC 系統間完成同步傳輸。因為是完全建立在標準快速以太網(wǎng)之上，所以Ethernet Powerlink 完全符合標準的拓撲結構和物理特性，且能夠與IT 技 術(shù)無(wú)縫連接，傳輸速率為100 Mbps，最小循環(huán)周期為200 μs。使用帶RJ45 插頭的標準雙絞線(xiàn)電纜(超五類(lèi)電纜)。網(wǎng)絡(luò )拓撲支持星型、樹(shù)型和菊花鏈型結構，單個(gè)網(wǎng)段最多可以連接240個(gè)實(shí)時(shí)站點(diǎn)。由于有實(shí)時(shí)性的要求，因此不允許使用交換機，只能使用集線(xiàn)器作為連接設備。 2.1.1 Ethernet Powerlink 的報文幀格式 
圖1 Powerlink 報文幀格式 報文幀格式采用了標準快速以太網(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)標識(SID)、目標地址(DA)、源地址(SA)和數據(Data)。其中Length/Type 字段的值>1 500,這是一個(gè)保留的EtherType，用于唯一地識別Powerlink 的報 文幀[1]。 其中：SID 包括SoC(Start of Cyclic)、EoC(End of Cyclic)、PollReq、PollRes、AsyncInvite、AsyncSend、AsyncAckNack;DA 為目標地址;SA 為源地址。 2.1.2 Ethernet Powerlink 的工作原理 雖然標準的以太網(wǎng)是以CSMA/CD 技術(shù)為基礎的，但CSMA/CD 的工作原理決定了它不能實(shí)現通信的確定性，于是Ethernet Powerlink 引入了SCNM(時(shí)間槽通信網(wǎng)絡(luò )管理)算法來(lái)保證實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信的確定性。 SCNM 給同步數據和異步數據分配時(shí)槽，保證在同一時(shí)間只有一個(gè)設備可以占用網(wǎng)絡(luò )媒介，從而徹底杜絕了網(wǎng)絡(luò )沖突的發(fā)生。Ethernet Powerlink 在通信管理上引入了管理節點(diǎn)(MN)和控制節點(diǎn)(CN)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )有唯一的管理節點(diǎn)，所以控制節點(diǎn)在管理節點(diǎn)上登記組態(tài)， 管理節點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行統一調度，為各個(gè)節點(diǎn)之間數據通信分配時(shí)間信道。只有管理節點(diǎn)可以獨立地發(fā)送數據，可以以廣播的形式或指定發(fā)送;而控制節點(diǎn)只有在得到允許后才能發(fā)送數據，且僅以廣播的形式，其他的節點(diǎn)可以接收數據并進(jìn)行監督。對于實(shí)時(shí)數據，信道時(shí)間較 窄，可以精確管理;對于標準以太網(wǎng)數據包，首先拆成小包，然后納入相應的信道進(jìn)行管理，因而數據也是確定性的[2]。 時(shí)間槽通信的周期包括開(kāi)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 每個(gè)階段的時(shí)間由管理節點(diǎn)預先設置，長(cháng)度可以不同。管理節點(diǎn)隨時(shí)監控循環(huán)時(shí)間，以保證預設的時(shí)間不會(huì )發(fā)生沖突，一旦沖突發(fā)生，將自動(dòng)延續到下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始位置。開(kāi)始階段：管理節點(diǎn)廣播發(fā)送SoC 幀開(kāi)始通信周期。此幀發(fā)出后，各節點(diǎn)就此同步。 只有SoC 幀由時(shí)間控制，其他幀由事件控制。 同步階段： 所有節點(diǎn)進(jìn)行同步信息交換。管理節點(diǎn)按照一個(gè)預先定義的順序給某站發(fā)送一個(gè)PollPeq 幀，要求此節點(diǎn)發(fā)送數據;此節點(diǎn)得到允許后以廣播的形式發(fā)出一幀PollRes回應信息，所有節點(diǎn)都可以接收到這幀數據，并對這幀數據進(jìn)行監控，也包括那些應該得到這幀數據的節點(diǎn)。PollReq 和PollRes 都可以傳輸應用數據。管理節點(diǎn)循環(huán)訪(fǎng)問(wèn)完所有節點(diǎn)后廣播發(fā)送EoC 幀指示同步結束。 異步階段：當確認隊列中無(wú)實(shí)時(shí)數據交換需要時(shí)，系統進(jìn)入異步階段，異步通信主要傳輸標準以太網(wǎng)數據流。如果控制節點(diǎn)要發(fā)送異步數據，會(huì )在PollRes 幀中通知管理節點(diǎn)。管理節點(diǎn)查詢(xún)異步數據請求對列，發(fā)送“異步數據發(fā)送邀請(AInvite)”給要發(fā)送異步數據的節點(diǎn)。這時(shí)控制節點(diǎn)就可以發(fā)送異步數據到指定的節點(diǎn)。通過(guò)時(shí)間槽通信發(fā)送的數據報文會(huì )在接收節點(diǎn)還原成原始數據包。 空閑階段：在完成異步傳送數據后尚剩下的時(shí)間段。在這個(gè)時(shí)間段，所以網(wǎng)上的節點(diǎn)都處于等待狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開(kāi)始。這個(gè)時(shí)間是個(gè)變量，也可能是0。 Ethernet Powerlink 在通信管理上引入的時(shí)間槽通信網(wǎng)絡(luò )管理，使每個(gè)通信周期可以有對應的時(shí)間域用于傳輸實(shí)時(shí)數據和標準以太網(wǎng)數據流，既能在保證數據通信的實(shí)時(shí)性要求，又能傳輸標準的以太網(wǎng)數據，實(shí)現與標準以太網(wǎng)的兼容。 目前，實(shí)時(shí)開(kāi)放的Ethernet Powerlink 工業(yè)以太網(wǎng)已順利通過(guò)IEC 國際標準。所有文檔都已通過(guò)IEC 組委會(huì )批準，Ethernet Powerlink 已被納入IEC 國際標準617842、61158300、61158400、61158500 和61158600。 2.2 總線(xiàn)內存管理和IEEE1588 機制 這種解決方法就是由德國倍福公司提出的EtherCAT(Ethernet for Control AutomationTechnology)。它得到了ETG 組織的支持，是一個(gè)可用于現場(chǎng)級的超高速I(mǎi)/O 網(wǎng)絡(luò )，使用標準的以太網(wǎng)物理層和常規的以太網(wǎng)卡，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)或光纖。拓撲結構可以是線(xiàn)型、 樹(shù)型和星型結構。EtherCAT 使網(wǎng)絡(luò )性能達到一個(gè)新的境界，可以在30 μs 內處理1 000 個(gè)I/O的刷新，包括循環(huán)的時(shí)間;可以在一個(gè)以太網(wǎng)幀中交換多達1 468 個(gè)字節的協(xié)議數據(這幾乎相當于12 000 個(gè)數字的輸入或輸出)，且僅需300 μs。同時(shí)，采用IEEE1588 標準規定的精 確時(shí)間同步機制實(shí)現分布時(shí)鐘精確同步，保證了控制器的同步時(shí)間偏差小于1 μs。 EtherCAT 報文幀格式采用標準以太網(wǎng)的幀頭和幀尾，且幀頭中Type 段的值為0x88A4時(shí)，是一個(gè)唯一識別EtherCAT 報文的標志。EtherCAT 的報文直接包括在以太網(wǎng)數據中，且在數據區域并不是只有一個(gè)EtherCAT 的報文，而是包括n 個(gè)報文。n 表示在系統中所包含 的節點(diǎn)的個(gè)數。每個(gè)報文中包括幀頭、數據和WKC(WorKing Counter),用于記錄通過(guò)報文可以成功尋址的設備數量。EtherCAT 報文幀格式如圖3 所示。
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(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數據包，然后進(jìn)行解碼并復制為過(guò)程數據。而且為了避免通信總線(xiàn)傳輸的延遲，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(gè)系統只有一個(gè) 主站用于系統的控制，其他的都是從站，當數據報文從主站被發(fā)出以后，每個(gè)從站中的FMMU 就可以讀出數據報文中指定到此的數據。同樣，輸入數據可以在數據報文通過(guò)時(shí)插入到報文中，報文僅有幾ns 延遲。網(wǎng)絡(luò )內的最后一個(gè)從站向主站發(fā)送一個(gè)完整的幀，以形成和創(chuàng )建一個(gè)物理和邏輯環(huán)。EtherCAT 還通過(guò)內部?jì)?yōu)先級系統，使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀比其他的數據(如組態(tài)或診斷數據等)具有更高的優(yōu)先級。組態(tài)數據只在傳輸實(shí)時(shí)數據的間隙中傳輸(如果時(shí)間間隙足夠傳輸)，或者通過(guò)特定的通道傳輸[3]。 在同步方面，EtherCAT 采用IEEE1588 標準中定義的精確時(shí)鐘同步機制，通過(guò)一個(gè)同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò )中所有站點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式運動(dòng)控制系統達到精確同步。這在廣泛要求同時(shí)動(dòng)作的分布過(guò)程中顯得尤為重要，而分布時(shí)鐘的精確 校準是同步的最有效解決方案。在EtherCAT 中，數據交換是完全基于硬件“主時(shí)鐘”和“子時(shí)鐘”的。每個(gè)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單和準確地確定另一個(gè)時(shí)鐘的實(shí)時(shí)偏移量，分布時(shí)鐘基于該值進(jìn)行調整，這意味著(zhù)它可以在網(wǎng)絡(luò )范圍內提供信號抖動(dòng)小于1 μs 的、非常精確的時(shí)鐘基。而且 高性能分布時(shí)鐘不僅可以用于同步，還可以用于提供數據采集時(shí)本地時(shí)間的精確信息。同時(shí)，EtherCAT 引入了時(shí)間戳數據類(lèi)型作為擴展，使得對于速度的精確計算比自由同步誤差測量技術(shù)更加精確。 EtherCAT 作為一種可用于現場(chǎng)級的超高速的I/O 網(wǎng)絡(luò )，在技術(shù)方面已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的芯片和從站控制器，也已經(jīng)成為IEC617842 標準的一部分。 2.3 網(wǎng)段分隔和通信調度管理 《EPA 通信標準》是我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權的現場(chǎng)總線(xiàn)國家標準，全稱(chēng)是《用于工業(yè)測量與控制系統的EPA 通信標準》。它是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)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)合成立的標準起草小組，經(jīng)過(guò)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(shí)通信控制系統解決方案。 在EPA 系統中，將控制網(wǎng)絡(luò )劃分為若干個(gè)控制區域，每個(gè)控制區域為一個(gè)微網(wǎng)段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)EPA 網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內EPA 設備間的通信被限制在本控制區域內進(jìn)行，而不會(huì )占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內的EPA 設備間的通信，需由相應的EPA 網(wǎng)橋轉發(fā)控制。EPA 網(wǎng)橋至少有2 個(gè)EPA接口，當它需要轉發(fā)報文時(shí)，首先檢查報文中的源IP 地址、目的IP 地址和EPA 服務(wù)標識等信息，以確認是否需要轉發(fā)，并確定報文轉發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉發(fā)也將受到控制，不會(huì )發(fā)生采用一般交換機所出現的廣播風(fēng)暴。這一方案比單純集線(xiàn)器方式的反應速度更快,抖動(dòng)也更小。 2.3.1 實(shí)時(shí)問(wèn)題的解決方案 為了提高網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性能，EPA 對ISO/IEC8802.3 協(xié)議規定的數據鏈路層進(jìn)行了擴展，增加了一個(gè)EPA 通信調度管理實(shí)體(Communication Scheduling Management Entity,CSME)。 CSME 不改變IEC8802.3 數據鏈路層提供的服務(wù)，也不改變與物理層的接口，只是完成對數據報文的調度管理，包括周期報文和非周期報文的調度。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，則要先根據事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級大小，傳送給數據傳送設備，經(jīng)過(guò)處理后再傳到網(wǎng)絡(luò )上，以避免同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送數據，產(chǎn)生報文沖突。 2.3.2 通信調度機制 在周期報文傳輸階段，每個(gè)EPA 設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過(guò)程有關(guān)的數據，例如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊I/O 之間需要按周期更新的數據。周期報文發(fā)送的優(yōu)先級應為最高。 在非周期報文傳輸階段，每個(gè)EPA 設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文包含非周期數據的報文。 非周期數據是指用于以非周期方式在兩個(gè)通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀/寫(xiě)數據、事件通知和趨勢報告等，以及ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP 和IGMP等應用數據。非周期報文按其優(yōu)先級高低，IP 地址大小及時(shí)間有效方式發(fā)送。EPA 通信周 期如圖4 所示。
圖4 EPA 通信周期 目前為止，EPA 標準也是IEC617842 標準的成員，且在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程應用上取得了較好的基礎，已開(kāi)發(fā)出EPA 變送器、執行器、現場(chǎng)控制器、數據采集器、遠程分散控制站等產(chǎn)品，基于EPA 的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統也已在化工廠(chǎng)得到成功的應用。 結語(yǔ) 本文所介紹的3 種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的解決方案是目前市場(chǎng)上應用較廣和關(guān)注度較高的新型實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案。它們都在自己的方案中引入獨特的技術(shù)，來(lái)解決標準以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的問(wèn)題，打破以太網(wǎng)應用于控制系統現場(chǎng)級的瓶頸。在工業(yè)現場(chǎng)級通信中，以前的現場(chǎng)級標準一直沒(méi)能統一，希望在未來(lái)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)能夠向統一的、更深的方向發(fā)展。 參考文獻 [1] www.ethernetpowerlink.org. [2] 許洪華，劉科. 確定性工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet Powerlink[J]. 冶金自動(dòng)化,2004(4). [3] EtherCAT Technology Group. http://www.ethercat.org. [4] 繆學(xué)勤. 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)新進(jìn)展[J]. 電氣時(shí)代,2005(6). [5] 德國倍福公司. 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)：I/O 層超高速以太網(wǎng)[J]. 自動(dòng)化博覽,2004(4). 作者：伍一帆(碩士)、石旭剛(副教授)、黃秀珍(碩士)：主要研究方向為光纖接入網(wǎng)和工業(yè)以太 網(wǎng)。蔣文榮(高級工程師)，從事計算機應用、公安信息網(wǎng)絡(luò )以及安全防范技術(shù)等方面的應用 和研究工作。 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2008（10） |
