工业以太网实时通信技术及进展

1、54工矿自动化2005年6月文章编号:1671 - 251X(2005)03 - 0053 - 03工业以太网实时通信技术及进展(承德石油高等专科学校电气与电子系，河北承德 067000)摘要：改善实时性之后，以太网已经成功地进入工业自动化信息层、控制层。以太网应用到工业现场设备层,实时性仍然是最大障碍。文章结合以太网的通信机制，探讨了典型的工业以太网实时性技术特点，介绍了能够应用于现场设备的确定性工业以太网 Ethernet Powerlink的解决方案。关键词:工业控制；以太网；数据传输；实时通信中图分类号：TP39文献标识码:AThe Real2time Communi cati on

2、Tech no logy of In dust rial Ether net and It s HeadwayLIU Ke(1. Elect rical and Elect ro nic Depart me nt , Che ngde Petroleum College , Che ngde 067000 , Chi na)Abstract : Ethernet has bee n applied in the In t ra net after it s real2time tech no logy was imp roved. It is yet the major obstacle t

3、hat the Ether net is not a real2time com mun icati on tech no logy when the Ether net is tried to be used in the i nf ra net. In this paper, several real2time com muni catio n tech no logies of in dust rial Ether net were discussed , the n the soluti on of Ether net Powerl ink bel on ged to determ i

4、ni stic in dust rial Ether net was i nt roduced. Et her net Powerl ink can work in the i nfra net.Key words :i ndustrial con trol , Ether net , data tra nsmissi on , real2time com muni cati on© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工矿自动化2005年6月0引言在现场总线

5、多标准并存和异种网络通信困难的 技术背景下，以太网进入工业自动化领域并且快速 发展。以太网是IT业最主要的局域网技术，它的优势明显表现在技术积累、资本积累以及发展动力 和空间等各个方面。以太网进入工控的最大障碍是 它的通信实时性不能保障。随着通信速度的一再提 高，加上各种降低冲突域的技术，以太网的确定性、实时性不断提高，并且开始广泛应用于工控领域的 信息 层、控制层。ProfiNet、HSE、Modbus/ TCP、 Ethernet/ IP等都已经大量成功应用。用以太网构建工业企业中上层网络，已经成为行业共识。以太网是否可以向下延伸，应用于工业现场仪 表设备，一直是近年来工控行业的一个争论焦

6、点和 研究热点。面对以太网的巨大商机和压力，各大现收稿日期:2004 - 10 - 25作者简介：刘 科(1968 -)，女,副教授，承德石油高等专科学校 教师，研究方向为现场总线与控制网络。场总线厂家也纷纷整合已有系统，不断推出以太网产品。但是，基于保护已有投资和技术等原因，厂商只是对已有产品做边缘性修改，而且诸多技术主要是针对上层网络，现场设备级工业以太网仍然面临 一系列技术课题。要确实满足严格苛刻的工业现场 要求，工业以太网要解决的问题是多方面的，如通信实时性、现场设备总线供电、本质安全、远距离通信 等等，其中通信实时性尤为重要 。1以太网的不确定性以太网被认为是实时性不高 、非确定性的

7、网络 主要是由于它所采用的介质访问方式所决定的 CSMA/ CD协议，即“带冲突检测的载波监听多路访 问”。在工作过程中，某节点要发送报文时 ，首先监 听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即 发送;如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同 时发送报文时，它们发送的报文将在网络上发生冲 突。因此，每个节点在发送时，还必须继续监听网 络。当检测到两个或更多个报文之间出现碰撞时 节点立即停止发送，并等待一段时间后重新发送 。节点通信发生冲突后，等待重发的时间长度是 随机的，这个时间将由标准二进制指数补偿算法确 定，重发时间在0（2i-1）个时间片中随机选择（i CD的约束，从而可以大大提高网络

8、上每个站点的 带宽。这种方案附加成本偏高 ，尤其是应用于现场 仪表的情况。而且，交换机的存储转发也会带来时© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工矿自动化2005年6月代表被节点检测到的碰撞事件次数），一个时间片为间延迟和不确定性© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工矿自动化2005年6月重发循环所需的最小时间。但是，在

9、10次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片（即1 023）上，16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器 回报失败信息。正是由于CSMA/ CD的工作原理， 造成数据传输有可能经历不可预见的延时，甚至长时间无法发送。而且，以太网的整个传输体系没有 有效的措施及时发现某一节点故障而加以隔离 ，从 而有可能使故障节点占用总线而导致其它节点数据 通信失败。-*1 ' >1 :J）2工业以太网实时性解决方案以太网的这种不确定性，在其它应用领域中看（3）引入主-从通信方式主-从通信方式已经广泛应用于工业现场仪表。在工业以太网中引入主-从通信管理，可以对网络节点的数据通信进行有效控制，

10、从根本上避免数据冲突。以太网之所以灵活，很重要的一个原因，"也卞 L片 H |i rL就是它没有定义任何上层协议。通过上层协议，可以实现主-从通信方式，这一点并不受到链路层协 议的制约。CSMA/ CD的实质是竞争，但竞争只是 在多个站试图同时发送数据的时候才会发生。如果在应用层中实现一个主站轮询、从站响应的机制，那 就不会有竞争发生，“对等的”以太网自然就成了一 个主从网络了。主-从通信方式中，只有主-从-© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工

11、矿自动化2005年6月来无关紧要，而对于工控领域来说却是必须关注的 主的通信才是可能的，从站间的直接通信是不可能© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工矿自动化2005年6月尤其对于直接测控生产过程的现场设备，这种缺点的。© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工矿自动化2005年6月是致命的。试想一种情况，紧急状态发生时，

12、往往有 大量的事故信息向中央监控室发送（即报警风暴），冲突是不可避免的，而累积冲突重发带来的结果必 将造成网络瘫痪。目前，工业以太网实时性的典型 解决方案有以下几种。（1）降低网络负载或者提高网络传输速率 以太网数据冲突概率随着数据通信的增加而呈指数级的增长。如果网络中没有太多的数据通信，那么冲突的概率会很低 。实际应用经验表明，当通 信负荷在25%以下时，可以保证通信畅通，当通信 负荷在5%左右时，网络上碰撞的概率几乎为零。工业控制当网络负载低于或等于10%的时候，有些方案会假设冲突是可避免的。实际上，这时候冲突仍在发生，尽管概率很低。而且，过低的网络负荷， 大大降低了实际利用的以太网带宽。

13、（2）利用以太网交换机传统以太网采用共享式集线器，由于共享式集线器的结构和功能仅仅是一种物理层中继器 ，因此 连接到共享式集线器上的所有站点共享一个带宽，遵循CSMA/ CD协议进行发送和接收数据。以太网交换机可以认为是一个受控的多端口开关矩阵，各个端口之间的信息流是隔离的，只有在同一个端口上的信息流才会发生冲突，即每个端口是一个冲突域。通过对网络负荷进行测算，利用交换机可以合理分割网络。这样，不同端口可以形成多个数据 通道，端口之间的数据输入和输出不再受CSMA/（4）定义数据包的优先级按照IEEE802. 1Q/ 802.1p的定义设 置优先 级，在队列中临时储存了帧以后，就可以利用以太网

14、 头部的扩展范围进行流控制。该方法的优点在于：高优先级的数据包定义了级别以后，以太网芯片本身就能处理这一功能，从而使紧急事务得到及时处 理。不足之处在于只有新硬件才具备这一功能，该方案不再提供向下兼容性。而且，电子报文的顺序 不再得到保证。而TCP/ IP原本是具备这一特性 的。其它诸如全双工交换技术、虚拟网技术以及改 进网络拓扑结构等，都可以改善以太网通信性能。实际存在的问题是，降低冲突域和提高以太网速度 还没有根本解决以太网的确定性问题。而且，使用TCP/ IP作为以太网上的协议，用户的数据由传输控制协议和网际协议“打包”传输，在接收站，这些数 据又被解包，数据包要两次通过TCP/ IP协

15、议栈。利用166 MHz奔腾处理器（这对于现场仪表已经是 较高要求），以及UDP/ IP（和TCP/ IP相似却更快） 测量，运行时间约为400 us ,还要考虑不可避免的冲 突重发情况。以太网要应用于工业现场仪表,TCP/IP协议栈本身也许需要有效裁剪和优化。3 Ethernet Powerlink 的解决方案1,21Ethernet Powerlink 标准化组织（EPSG）成员 包括 ABB （ Robotics）、B &R、Hirschmann、Kuka、© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing

16、Fkiuss All惟hliprw w.tivi54工矿自动化2005年6月© 1994-201 E> Ch.inziJunrria ESlcelriKiic Puhliiiiing Fkiuss All惟hliprw w.tivi2005年第3期刘 科：工业以太网实时通信技术及进展? 5 5 ?Lenze等二十几家工业自动化生产、研发机构。 Powerlink主要有两个方面的技术特点：一是开发了网络协议栈取代传统的TCP/ IP协议栈，从根本上实现了网络数据的有效控制和管理；另一方面，能够与IT技术无缝连接，可以继续应用 IP协议族 (HTTP、TELNET、FTP 等)。P

17、owerli nk 的目标是 确定性、实时性工业以太网。该组织对第 3方开放 协议,并在其网站公布技术进展。2003年10月，EPSG正式向国际IEC组织提交技术标准，积极推进实时工业以太网标准化。Powerlink解决实时性的关键技术是时间片通信网络管理(Slot CommunicationNetworkManagement ,SCNM )。按照工业仪表中广泛应用 的主-从通信方式，在以太网中引入管理节点 (Managing node)和控制节点(Cont rol node)的概 念。整个网络有唯一的管理节点，在管理节点统一调度下，管理节点和控制节点之间、以及控制节点之 间的通信周期地进行。

18、时间片通信网络管理周期如 图1所示。每个通信周期包括起始域(Start2 Period)、循环域(Cyclic 2Period)、异 步域(Asyn2 chron Period)和空闲域(Idle2Period) 4 个时间域 。 在周期起始数据流(Start of Cyclic , SoC)之后,管理节点在循环域依次向每个节点发送轮询(PollRequest, PRq)，控制节点收到轮询后发送响应报 文(Poll Response,PRs)，每个循环域有结束数据流 (End of Cyclic , EoC)。轮询和响应报文都可以包 含应用数据，但是轮询只是从管理节点发送到目标 控制节点，响应

19、报文则以广播形式进行发布，在这种 情况下系统可以适应发布者/订阅者(Publisher/Subscriber)通信方式。在线节点的数据交换请求在 调度队列中进行登记。当确认队列中没有实时数据 交换需要时，系统进入异步时间域。异步通信主要传输标准以太网数据流。管理节点查询异步数据请 求队列，发送异步数据发送邀请(Invite)。异步数据图1时间片通信网络管理周期可以直接发送到目标节点。通过时间片通信网络管理发送的数据包会在接收节点还原成原始数据包。Powerlink完全建立在标准快速以太网之上，物理层和媒体访问控制部分仍然采用IEEE802. 3u快速以太网标准。Powerlink工作模式分为保

20、护模 式、开放模式和基本以太网模式。保护模式下系统 最小通信周期为200 ys,网络抖动时间(Jitter )小于1 ys(相比之下，500 kps的CAN中相应的值是约 254 ys),可以适应极为苛刻的实时性要求。 Powerlink通信的具体实现不需要特殊的芯片，文献1 中给出了一种基于ARM7 TDM I内核的硬件原理图和协议栈代码段、数据段内存要求等。4结语自动化任务对实时性的要求是多层次的。对于文件传输,500 ms已称得上实时了；而对于视频数据包传输，实时要求变成了 100 ms。在自动化理论 中,10 ms也许已经足够，然而许多情况表明事实并 非如此。当网络上多个节点组成一个控制系统时，数据刷新时间、网络抖动时间等要求必须比这快得 多。在机械加工制造领域，使用多个驱动轴而且要求同步工作，那么要求就更为严格。随着IEEE 802. 3af规范发布，以太网网上供电技术也取得进 展，一些自动化厂商已经推出较