摘要
本文介紹了一種實時以太網(wǎng)控制協(xié)議，該協(xié)議能夠保證實時信號的發(fā)送有確定的最大時延，而且它與現(xiàn)有的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議兼容.分析了協(xié)議的工作原理，證明該協(xié)議是可行的有效的。
關(guān)鍵詞: 工業(yè)以太網(wǎng);實時;控制協(xié)議
引言
現(xiàn)場總線技術(shù)把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，世界各大公司開發(fā)了各種各樣的現(xiàn)場總線，號稱開放的現(xiàn)場總線也有40多種，現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158也包含了8種之多，形成了多種現(xiàn)場總線并存的局面。但是，這些現(xiàn)場總線之間不能實現(xiàn)互操作，現(xiàn)場總線技術(shù)也不能為企業(yè)提供從現(xiàn)場控制層到管理層的全面信息集成，而且現(xiàn)場總線較低的通信速率也不能滿足工業(yè)控制越來越多的數(shù)據(jù)交換的需要。世界各大廠商開始尋找其它途徑，目前在信息網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)已成為新的目標(biāo)。
Ethernet具有成本低、穩(wěn)定、可靠、應(yīng)用廣泛和共享資源豐富等優(yōu)點，因此迅速發(fā)展起來，使其成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一，不僅壟斷了辦公自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上層的網(wǎng)絡(luò)通信中也得到了廣泛應(yīng)用，并直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層通信。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實時性要求
以太網(wǎng)被認(rèn)為是幾乎所有網(wǎng)絡(luò)相關(guān)自動化問題的有效解決方案—設(shè)備層通信、控制、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，但將之用于工業(yè)控制則要認(rèn)真考慮其互操作性和安全性。這是因為以太網(wǎng)技術(shù)自身只提供了一系列的物理介質(zhì)定義和一個共享的構(gòu)架，構(gòu)架包括物理介質(zhì)、簡單的幀格式和LAN內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膶ぶ贩桨浮Ｒ罁?jù)開放式系統(tǒng)互聯(lián)7層參考模型，以太網(wǎng)僅提供了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。所以，所有以太網(wǎng)都可以支持在其之上的一種或多種上層協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理功能。上層協(xié)議決定了網(wǎng)絡(luò)支持的功能級、連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備實現(xiàn)互操作。
OSI 7層模型示意圖
Internet采用了TCP/ IP作為網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，它提供了設(shè)備間交換數(shù)據(jù)的一套服務(wù)。但是，TCP/ IP并不能保證設(shè)備間有效的通信，只能提供信息的傳送。因此，在工業(yè)設(shè)備間的通信必須采用通用的應(yīng)用層協(xié)議。這種通用的應(yīng)用層協(xié)議采用在普通應(yīng)用層上的TCP/ IP封裝，使工業(yè)設(shè)備節(jié)點在以太網(wǎng)信息里將數(shù)據(jù)封裝起來，然后該節(jié)點將帶有TCP/ IP的信息發(fā)送到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層。這個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層使工業(yè)自動化和控制設(shè)備的互操作性和互換性成為可能。
實際上，在控制系統(tǒng)中存在著兩種信息：實時I/O數(shù)據(jù)（（I/ O message）和用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等的顯式信息（Explicit Message）。前者不包含任何協(xié)議信息，只含有要求快速傳送的I/O實時數(shù)據(jù)。它的特點是要求采用短幀結(jié)構(gòu)、協(xié)議額外開銷少、執(zhí)行實時傳送，因此要采用UDP/ I P（ User Datagram Protocol/ Internet Protocol）協(xié)議。而后者的數(shù)據(jù)包含了協(xié)議信息和執(zhí)行服務(wù)的指令，節(jié)點要翻譯該信息的內(nèi)容、執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)并產(chǎn)生應(yīng)答信號，因此采用TCP/ IP協(xié)議。以UDP/ IP和TCP/ IP分別封裝I/O信息和顯式信息，可以保證提供不同網(wǎng)絡(luò)性能要求的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，還使工業(yè)自動化和控制設(shè)備具有互操作性和互換性。
基于以太網(wǎng)的實時通信層次模型
實時以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議技術(shù)
1傳統(tǒng)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議
以太網(wǎng)提供波特率為10 Mbps或100 Mbps的快速、高效的傳輸。但是，在一個繁忙的環(huán)境中，以太網(wǎng)并不能為節(jié)點提供固定的網(wǎng)絡(luò)訪問時間。相反的，它用一種稱之為帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取（CSMA/ CD）的判優(yōu)算法。使用CSMA/ CD，每個節(jié)點會在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽網(wǎng)路。如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)路有空，它就開始傳輸。否則，它就等到網(wǎng)路空閑為止。大多數(shù)時候，網(wǎng)路偵聽可以保證消除沖突。以太網(wǎng)的速度足以使節(jié)點等待網(wǎng)絡(luò)空閑，而浪費(fèi)的時間僅僅造成一個很小且有上限的延遲。然而，有這樣一種可能，2個節(jié)點同時等待一個傳輸?shù)慕Y(jié)束。在這種情況下，他們會同時偵聽到一個空閑的網(wǎng)路并且同時開始傳輸。這就會造成一個沖突，所以兩個節(jié)點必須通過調(diào)停來決定網(wǎng)路的訪問。
當(dāng)節(jié)點探測到一個沖突，它就會回退，并等待2個時間間隔后在重試數(shù)據(jù)的發(fā)送。如果重發(fā)失敗，最大等待時間將會加倍，而節(jié)點將在一個隨機(jī)的時間端之后再次重發(fā)。這種算法會持續(xù)到網(wǎng)路空閑為止。在1個10 Mbps的網(wǎng)絡(luò)中，時間間隔為51 .2us 。在100 Mbps的網(wǎng)絡(luò)中，一個時間間隔僅為5 .12us 。但等待時間加倍的算法不會一直繼續(xù)，它將在10次后停止加倍，并在16次后顯示錯誤信號。這樣，這種指數(shù)形式的補(bǔ)償計算會造成不可預(yù)知的延遲。
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2工業(yè)以太網(wǎng)實時通信分析
為了檢測到信道上的沖突，首先給出最小競爭時隙的概念，定義網(wǎng)絡(luò)上相距最遠(yuǎn)的2個節(jié)點的信號傳播時延的2倍為最小競爭時隙.如果1個節(jié)點開始傳輸后，在一個最小競爭時隙內(nèi)沒有檢測到?jīng)_突，該節(jié)點獲得了信道的訪問控制權(quán).系統(tǒng)中，非實時節(jié)點遵循標(biāo)準(zhǔn)CSM A/CD協(xié)議，而實時節(jié)點遵循實時以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議（RT-CSM A/CD），該協(xié)議的基本思想是:有實時數(shù)據(jù)要發(fā)送時，首先偵聽信道，如果信道空閑，實時節(jié)點開始發(fā)送.發(fā)送后如果檢測到?jīng)_突，實時節(jié)點并不像非實時節(jié)點一樣停止傳輸，而堅持發(fā)送競爭信號，競爭信號的長度不小于最小競爭時隙的長度.因為非實時節(jié)點遵循堅持CSM A/CD協(xié)議，檢測到?jīng)_突后都停止信號發(fā)送，在實時節(jié)點發(fā)送完一個競爭信號之前，非實時節(jié)點都將退出競爭.剩下的實時節(jié)點按照優(yōu)先級的大小決定是堅持發(fā)送競爭信號還是讓出信道給更高優(yōu)先級的節(jié)點，優(yōu)先級越高的節(jié)點堅持發(fā)送競爭信號的次數(shù)越多.當(dāng)某個節(jié)點發(fā)送完一個競爭信號后，如果檢測到信道上的沖突已消失，說明其他的實時節(jié)點都已經(jīng)退出競爭，該節(jié)點就取得信道的訪問控制權(quán)，停止傳輸競爭信號，重傳被破壞的數(shù)據(jù)幀。
設(shè)總線上相距最遠(yuǎn)的2個節(jié)點的信號傳輸時延為τp，所有節(jié)點的數(shù)據(jù)幀等長，發(fā)送一幀所需要的時間為τ，檢測沖突后發(fā)出的阻塞信號時寬R，實時節(jié)點的競爭信號長度等于L.設(shè)幀間距時間間隔為TI，實時節(jié)點從取得信道到開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間間隔為T ‘I，要求T ‘I< TI .設(shè)信道上有n個實時節(jié)點.試想優(yōu)先級最高的實時節(jié)點數(shù)據(jù)幀到達(dá)時所遇到的最壞情況:信道剛好被其他節(jié)點占用，實時節(jié)點必須等待信道空閑，等待時間是數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間T,信道空閑后再等待T i時間間隔，然后實時節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，但發(fā)生沖突，最大競爭次數(shù)為n，用于信道競爭的最大時延為
TI +2τp+R+nL+T ‘I
總的最大發(fā)送等待時延為
TI +2τp+R+nL+T ‘I+τ
是一個確定值，即該實時信號的發(fā)送有確定的最大時延.其他優(yōu)先級的實時節(jié)點在保證高優(yōu)先級的節(jié)點發(fā)送完成的情況下，也可相應(yīng)計算出其最大發(fā)送時延.
實時通信協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
不同于以往的源/目的的通信模式，實時控制協(xié)議采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者（Producer/ Consumer）的通信模式（如圖3），允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點同時存取同一個源的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)者/消費(fèi)者的模式中數(shù)據(jù)被分配一個唯一的標(biāo)識，根據(jù)具體的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)上多個不同的節(jié)點可以接收到來自于同一個發(fā)送者的數(shù)據(jù)。其結(jié)果是，數(shù)據(jù)的傳輸更為經(jīng)濟(jì)，每個數(shù)據(jù)源一次性地把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，其他節(jié)點選擇性地收取這些數(shù)據(jù)，不浪費(fèi)帶寬，提高了系統(tǒng)的通信效率，因為不管有多少個節(jié)點需要接收這個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只需產(chǎn)生一次。數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的時間傳送到不同的節(jié)點，可以實現(xiàn)通信的精確同步。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模型
實時訪問控制協(xié)議作為一種開放的技術(shù)，同時受到Control Net和DeviceNet總線標(biāo)準(zhǔn)的支持。Control Net和DeviceNet是先進(jìn)的現(xiàn)場總線協(xié)議，分別由CI（ Control Net International）和ODVA兩個組織來管理技術(shù)和推廣，在世界上受到700多個大廠商的響應(yīng)。實時訪問控制協(xié)議支持 IEEE 802 .3物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、 TCP/ IP協(xié)議簇（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）以及以太網(wǎng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還有控制與信息協(xié)議CIP（ Control and Information Protocol），這個協(xié)議提供了I/O實時信息的交換。
實時訪問控制協(xié)議與ControlNet .DeviceNet最大的共同點是具有相同的應(yīng)用層通信協(xié)議，共享設(shè)備行規(guī)和對象庫。這些對象庫可支持不同廠商的各類產(chǎn)品間的即插即用的互操作性和互換性。
實時控制協(xié)議解決了以太網(wǎng)上的設(shè)備間的互操作性和互換性。在此之前，各大設(shè)備制造廠商在以太網(wǎng)上采用了各自獨(dú)立的應(yīng)用層協(xié)議（如Profibus和Modbusover Ethernet）。雖然它們后來也提供了網(wǎng)關(guān)的解決方案，但不提供到應(yīng)用層的無縫連接，同時增加了硬件和系統(tǒng)組態(tài)的開銷。工業(yè)以太網(wǎng)實時協(xié)議則采用了開放的應(yīng)用層，通過一致性的檢測來保證不同廠商的設(shè)備間的互操作性和互換性，即它可以提供到Control Net和DeviceNet的應(yīng)用層的無縫連接。
結(jié)束語
改善以太網(wǎng)在工業(yè)控制應(yīng)用中的實時能力除了采用實時訪問控制協(xié)議，還要采用其他的方法。首先，限制以太網(wǎng)通信負(fù)載的大小，使其處于輕載狀態(tài)。采用盡量少的節(jié)點數(shù)目可以有效地降低延遲。其次，采用快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)來取代傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)。此外，還有通過雙工通信技術(shù)、流量控制、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、自動負(fù)載平衡、自動協(xié)商等新技術(shù)。
以太網(wǎng)上層增加實時通信協(xié)議，在避免了改變以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，提高了整個通信模型的通信確定性和實時性問題，為將廉價的商用以太網(wǎng)引入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提供了一種簡單易行的途徑。隨著以太網(wǎng)性能的進(jìn)一步提高，加上高速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)的普及，以太網(wǎng)技術(shù)將更加廣泛地應(yīng)用于工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。
（轉(zhuǎn)載）
