以太網(wǎng)協(xié)議實時性的設(shè)計方案

1  概述

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展使智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)果的通信控制網(wǎng)絡(luò)相連，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展。但是由于各類現(xiàn)場總線標準之間的不可兼容性無法實現(xiàn)統(tǒng)一，阻礙了現(xiàn)場總線技術(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(wěn)定性等諸多優(yōu)勢，得到了工控界越來越多的關(guān)注和認可。用以太網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場層的一致性通信，人們習慣上將應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)稱為“工業(yè)以太網(wǎng)”。

　　工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)不同,工業(yè)數(shù)據(jù)通信不僅要解決信號的互通和設(shè)備的互連,而且需要解決信息的互通問題,即信息的互相識別、互相理解和互可操作。所謂信號的互通,即兩個需要互相通信的設(shè)備所采用的通信介質(zhì)、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等參數(shù)，以及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議符合同一標準,不同的設(shè)備能連接在同一網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)互連。如果僅僅實現(xiàn)設(shè)備互連,但沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議(如應(yīng)用層協(xié)議),那么不同設(shè)備之間還是不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義,就不能實現(xiàn)信息互通,也就不可能實現(xiàn)開放系統(tǒng)之間的互可操作。互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上、不同廠家的設(shè)備之間，通過統(tǒng)一應(yīng)用層協(xié)議進行通信與互用,性能類似的設(shè)備可以實現(xiàn)互換。這是工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于一般IT網(wǎng)絡(luò)的重要特點。

　　對工業(yè)控制來說，還有一個很重要的區(qū)別就是實時性。實時性的一個重要標志就是時間的確定性，通信時數(shù)據(jù)傳輸時間不是隨機的，而是可事先確定的。一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)在一個可準確預(yù)見的時間范圍內(nèi)做出反應(yīng)。反應(yīng)速度由被控制過程來決定。對于高傳動性的系統(tǒng)，實時性的要求就要更高了。

　　雖然以太網(wǎng)具有比現(xiàn)場總線高許多的傳輸速率，但是卻不能保證實現(xiàn)控制設(shè)備間的實時通信。這主要是因為標準的以太網(wǎng)協(xié)議是以CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection，載波*多路訪問/沖突檢測）技術(shù)為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)上的各工作站對總線進行“*”以確認總線是否空閑。如果空閑,它們就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個工作站同時試圖發(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)定義的隨機選擇算法,工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程一直重復(fù)直至沖突消失。上述機制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送，可是從確定性行為的角度來看,這卻是一個很大的障礙。它允許數(shù)據(jù)傳輸時間可被任意推遲，也就不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其現(xiàn)有標準的前提下更好地應(yīng)用到工控領(lǐng)域，就要找到一種解決方案來解決這個問題。

　　為此，各大公司開始研究基于以太網(wǎng)的通信的實時性問題，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(xiàn)場標準委員會的認可，并寫入新的標準中。

　　下面就介紹幾種解決方案，看他們是如何保證通信實時性的。

　　2  幾種解決方案分析

　　2.1  Ethernet Powerlink

　　這個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。Ethernet Powerlink 是以快速以太網(wǎng)為基礎(chǔ)開發(fā)出來的實時工業(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(chǔ)上，創(chuàng)建一個高速的、實時的、確定性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，使抖動降到很小(小于1 μs),同時在不影響循環(huán)通信的情況下處理非循環(huán)的數(shù)據(jù)。而且，I/O與驅(qū)動數(shù)據(jù)能夠在相互之間以及與PCC系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和物理特性，且能夠與IT技術(shù)無縫連接，傳輸速率為100 Mbps，最小循環(huán)周期為200 μs。使用帶RJ45插頭的標準雙絞線電纜(超五類電纜)。網(wǎng)絡(luò)拓撲支持星型、樹型和菊花鏈型結(jié)構(gòu)，單個網(wǎng)段最多可以連接240個實時站點。由于有實時性的要求，因此不允許使用交換機，只能使用集線器作為連接設(shè)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)幀頭后面的是實際的Powerlink報文，包括服務(wù)標識（SID）、目標地址（DA）、源地址（SA）和數(shù)據(jù)(Data)。其中Length/Type字段的值>1  500,這是一個保留的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(chǔ)的，但CSMA/CD的工作原理決定了它不能實現(xiàn)通信的確定性，于是Ethernet Powerlink引入了SCNM（時間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理）算法來保證實時以太網(wǎng)通信的確定性。

　　SCNM給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時槽，保證在同一時間只有一個設(shè)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(jié)點（MN）和控制節(jié)點（CN）。整個網(wǎng)絡(luò)有唯一的管理節(jié)點，所以控制節(jié)點在管理節(jié)點上登記組態(tài)，管理節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一調(diào)度，為各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信分配時間信道。只有管理節(jié)點可以獨立地發(fā)送數(shù)據(jù)，可以以廣播的形式或指定發(fā)送；而控制節(jié)點只有在得到允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，且僅以廣播的形式，其他的節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)并進行監(jiān)督。對于實時數(shù)據(jù)，信道時間較窄，可以精確管理；對于標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，首先拆成小包，然后納入相應(yīng)的信道進行管理，因而數(shù)據(jù)也是確定性的[2]。

　　時間槽通信的周期包括開始階段、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

　　每個階段的時間由管理節(jié)點預(yù)先設(shè)置，長度可以不同。管理節(jié)點隨時監(jiān)控循環(huán)時間，以保證預(yù)設(shè)的時間不會發(fā)生沖突，一旦沖突發(fā)生，將自動延續(xù)到下一個循環(huán)的開始位置。

　　開始階段：管理節(jié)點廣播發(fā)送SoC幀開始通信周期。此幀發(fā)出后，各節(jié)點就此同步。只有SoC幀由時間控制，其他幀由事件控制。

　　同步階段： 所有節(jié)點進行同步信息交換。管理節(jié)點按照一個預(yù)先定義的順序給某站發(fā)送一個PollPeq幀，要求此節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；此節(jié)點得到允許后以廣播的形式發(fā)出一幀PollRes回應(yīng)信息，所有節(jié)點都可以接收到這幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，也包括那些應(yīng)該得到這幀數(shù)據(jù)的節(jié)點。PollReq和PollRes都可以傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)。管理節(jié)點循環(huán)訪問完所有節(jié)點后廣播發(fā)送EoC幀指示同步結(jié)束。

　　異步階段：當確認隊列中無實時數(shù)據(jù)交換需要時，系統(tǒng)進入異步階段，異步通信主要傳輸標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。如果控制節(jié)點要發(fā)送異步數(shù)據(jù)，會在PollRes幀中通知管理節(jié)點。管理節(jié)點查詢異步數(shù)據(jù)請求對列，發(fā)送“異步數(shù)據(jù)發(fā)送邀請（AInvite）”給要發(fā)送異步數(shù)據(jù)的節(jié)點。這時控制節(jié)點就可以發(fā)送異步數(shù)據(jù)到指定的節(jié)點。通過時間槽通信發(fā)送的數(shù)據(jù)報文會在接收節(jié)點還原成原始數(shù)據(jù)包。

　　空閑階段：在完成異步傳送數(shù)據(jù)后尚剩下的時間段。在這個時間段，所以網(wǎng)上的節(jié)點都處于等待狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。這個時間是個變量，也可能是0。

　　Ethernet Powerlink在通信管理上引入的時間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理，使每個通信周期可以有對應(yīng)的時間域用于傳輸實時數(shù)據(jù)和標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，既能在保證數(shù)據(jù)通信的實時性要求，又能傳輸標準的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與標準以太網(wǎng)的兼容。

　　目前，實時開放的Ethernet Powerlink工業(yè)以太網(wǎng)已順利通過IEC國際標準。所有文檔都已通過IEC組委會批準，Ethernet Powerlink已被納入IEC國際標準617842、61158300、61158400、61158500和61158600。2.2  總線內(nèi)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 Automation Technology）。它得到了ETG組織的支持，是一個可用于現(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡(luò)，使用標準的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線或光纖。拓撲結(jié)構(gòu)可以是線型、樹型和星型結(jié)構(gòu)。EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達到一個新的境界，可以在30 μs內(nèi)處理1 000個I/O的刷新，包括循環(huán)的時間；可以在一個以太網(wǎng)幀中交換多達1 468個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)（這幾乎相當于12 000個數(shù)字的輸入或輸出），且僅需300 μs。同時，采用IEEE1588標準規(guī)定的精確時間同步機制實現(xiàn)分布時鐘精確同步，保證了控制器的同步時間偏差小于1 μs。

　　EtherCAT報文幀格式采用標準以太網(wǎng)的幀頭和幀尾，且?guī)^中Type段的值為0x88A4時，是一個唯一識別EtherCAT報文的標志。EtherCAT的報文直接包括在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中，且在數(shù)據(jù)區(qū)域并不是只有一個EtherCAT的報文，而是包括n個報文。n表示在系統(tǒng)中所包含的節(jié)點的個數(shù)。每個報文中包括幀頭、數(shù)據(jù)和WKC（WorKing Counter）,用于記錄通過報文可以成功尋址的設(shè)備數(shù)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，不必在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。而且為了避免通信總線傳輸?shù)难舆t，德國倍福公司率先在EtherCAT中使用了FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）前沿技術(shù)。整個系統(tǒng)只有一個主站用于系統(tǒng)的控制，其他的都是從站，當數(shù)據(jù)報文從主站被發(fā)出以后，每個從站中的FMMU就可以讀出數(shù)據(jù)報文中指定到此的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在數(shù)據(jù)報文通過時插入到報文中，報文僅有幾ns延遲。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最后一個從站向主站發(fā)送一個完整的幀，以形成和創(chuàng)建一個物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過內(nèi)部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實時以太網(wǎng)幀比其他的數(shù)據(jù)（如組態(tài)或診斷數(shù)據(jù)等）具有更高的優(yōu)先級。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實時數(shù)據(jù)的間隙中傳輸（如果時間間隙足夠傳輸），或者通過特定的通道傳輸[3]。

　　在同步方面，EtherCAT采用IEEE1588標準中定義的精確時鐘同步機制，通過一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有站點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式運動控制系統(tǒng)達到精確同步。這在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，而分布時鐘的精確校準是同步的最有效解決方案。在EtherCAT中，數(shù)據(jù)交換是完全基于硬件“主時鐘”和“子時鐘”的。每個時鐘可以簡單和準確地確定另一個時鐘的實時偏移量，分布時鐘基于該值進行調(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)提供信號抖動小于1 μs的、非常精確的時鐘基。而且高性能分布時鐘不僅可以用于同步，還可以用于提供數(shù)據(jù)采集時本地時間的精確信息。同時，EtherCAT引入了時間戳數(shù)據(jù)類型作為擴展，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(xiàn)場級的超高速的I/O網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)方面已經(jīng)開發(fā)出專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(diào)度管理

　　《EPA通信標準》是我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家標準，全稱是《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)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、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、清華大學和大連理工大學等單位聯(lián)合成立的標準起草小組，經(jīng)過3年多的技術(shù)攻關(guān)，而提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信控制系統(tǒng)解決方案。

　　在EPA系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域為一個微網(wǎng)段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設(shè)備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備間的通信，需由相應(yīng)的EPA網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個EPA接口，當它需要轉(zhuǎn)發(fā)報文時，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(zhuǎn)發(fā)，并確定報文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，不會發(fā)生采用一般交換機所出現(xiàn)的廣播風暴。這一方案比單純集線器方式的反應(yīng)速度更快,抖動也更小。

　　2.3.1  實時問題的解決方案

　　為了提高網(wǎng)絡(luò)的實時性能，EPA對ISO／IEC8802.3協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進行了擴展，增加了一個EPA通信調(diào)度管理實體（Communication Scheduling Management Entity,CSME）。CSME不改變IEC8802.3數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)報文的調(diào)度管理，包括周期報文和非周期報文的調(diào)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(jù)事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級大小，傳送給數(shù)據(jù)傳送設(shè)備，經(jīng)過處理后再傳到網(wǎng)絡(luò)上，以避免同時向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報文沖突。

　　2.3.2  通信調(diào)度機制

　　在周期報文傳輸階段，每個EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報文是包含周期數(shù)據(jù)的報文。周期數(shù)據(jù)是指與過程有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如需要按控制回路的控制周期傳輸?shù)臏y量值、控制值，或功能塊I／O之間需要按周期更新的數(shù)據(jù)。周期報文發(fā)送的優(yōu)先級應(yīng)為最高。

　　在非周期報文傳輸階段，每個EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報文包含非周期數(shù)據(jù)的報文。非周期數(shù)據(jù)是指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如程序的上下載數(shù)據(jù)、變量讀/寫數(shù)據(jù)、事件通知和趨勢報告等，以及ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP和IGMP等應(yīng)用數(shù)據(jù)。非周期報文按其優(yōu)先級高低，IP地址大小及時間有效方式發(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)品開發(fā)和工程應(yīng)用上取得了較好的基礎(chǔ)，已開發(fā)出EPA變送器、執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器、數(shù)據(jù)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(tǒng)也已在化工廠得到成功的應(yīng)用。

　　結(jié)語

　　本文所介紹的3種實時以太網(wǎng)的解決方案是目前市場上應(yīng)用較廣和關(guān)注度較高的新型實時以太網(wǎng)方案。它們都在自己的方案中引入獨特的技術(shù)，來解決標準以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域不能滿足實時性要求的問題，打破以太網(wǎng)應(yīng)用于控制系統(tǒng)現(xiàn)場級的瓶頸。在工業(yè)現(xiàn)場級通信中，以前的現(xiàn)場級標準一直沒能統(tǒng)一，希望在未來實時以太網(wǎng)技術(shù)能夠向統(tǒng)一的、更深的方向發(fā)展。