工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的精密時(shí)序

　　摘要：本文探討了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的精密時(shí)序的必要性，以及各種應用和機制所需的時(shí)間精度來(lái)確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)序精確性。

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò )連接工廠(chǎng)內的機器、機器人、傳感器、執行器、控制器和計算機，以便于指令和數據的交換，從而同步它們的工作。網(wǎng)絡(luò )中機器的同步操作需要每個(gè)機器都有相同的“精密時(shí)間”。每臺機器上的精密時(shí)間保證了網(wǎng)絡(luò )中事件的相對順序。缺乏精確的時(shí)間可能會(huì )導致機器和機器人操作順序混亂CONTROL ENGINEERING China版權所有，這反過(guò)來(lái)可能導致產(chǎn)品質(zhì)量差、重要信息丟失、甚至發(fā)生災難性的事故。本文探討了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的精密時(shí)序的必要性，以及各種應用和機制所需的時(shí)間精度來(lái)確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)序精確性。

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò )

　　傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )使用專(zhuān)有的、特定供應商提供的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)連接工廠(chǎng)內的機器和計算機。專(zhuān)有的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)導致不同廠(chǎng)商機器之間的互操作困難，從而導致成本提高。然而，在過(guò)去的二十年，人們喜歡將應用廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)用于工廠(chǎng)內的機器互連。在20世紀80年代和90年代，辦公網(wǎng)絡(luò )的急速發(fā)展使得開(kāi)放的以太網(wǎng)技術(shù)獲得了廣泛采用。以太網(wǎng)解決方案的規模和成熟性促成了行業(yè)標準的建立，實(shí)現了不同廠(chǎng)商設備之間的互操作性、提供了大量的技術(shù)人才、降低了設備成本和總擁有成本。

　　以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)提供了前所未有的的可擴展性和購買(mǎi)可承受能力，但是它有一個(gè)嚴重的缺陷。為了保持網(wǎng)絡(luò )連接和設備的高利用率從而能降低成本，以太網(wǎng)技術(shù)采用基于需要的通信資源分配方式。從技術(shù)角度來(lái)看，這是被稱(chēng)為“異步”或“盡力而為”的通信方式。如上所述CONTROL ENGINEERING China版權所有，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)關(guān)鍵的需求是將精密時(shí)間分發(fā)到所有節點(diǎn)。在工廠(chǎng)中使用以太網(wǎng)進(jìn)行機器同步的首要挑戰是建立一個(gè)機制，在不可預知的異步網(wǎng)絡(luò )中準確地分發(fā)精密時(shí)序。這個(gè)可預測的精密時(shí)序分發(fā)機制被稱(chēng)為“精密時(shí)序協(xié)議(PTP)，這將在本文后面討論。PTP由IEEE標準“IEEE1588” (在不可預知的網(wǎng)絡(luò )中，可預測的維護精密時(shí)間的另一個(gè)術(shù)語(yǔ))定義，并且目前由該標準進(jìn)行維護。

　　相反，傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中使用一個(gè)同步通信機制或一個(gè)單獨的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現所有機器的精密時(shí)間的分發(fā)。這兩種機制都需要分配專(zhuān)用的資源來(lái)建立兩個(gè)節點(diǎn)之間的通信，從而導致了較低的設備利用率、降低了網(wǎng)絡(luò )的可擴展性以及更高的總成本。異步以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的精密時(shí)間分發(fā)所面臨的挑戰如圖1所示?！　?/p>

圖1：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的精密時(shí)間分發(fā)

　　時(shí)鐘準確性和精度

　　幾乎所有的現代化機器、傳感器、執行器和計算機都有本地數字時(shí)鐘。然而，這些本地時(shí)鐘是基于晶振的，隨著(zhù)時(shí)間的推移，由于環(huán)境變化(溫度和濕度)和晶體老化而產(chǎn)生偏移。因此控制工程網(wǎng)版權所有，在網(wǎng)絡(luò )中的本地時(shí)鐘需要定期使用一個(gè)非常精密的主時(shí)鐘或參考時(shí)鐘進(jìn)行同步。主時(shí)鐘是一個(gè)GPS接收機或者銣或銫時(shí)鐘。由于節點(diǎn)之間的通信速度成倍增長(cháng)，需要精度更高的時(shí)鐘來(lái)維持網(wǎng)絡(luò )中事件的相對順序。圖2說(shuō)明了時(shí)鐘準確性和精度的概念。時(shí)鐘準確性測量了與整個(gè)網(wǎng)絡(luò )參考時(shí)鐘之間的時(shí)間差。時(shí)鐘精密表示測量到時(shí)間的可重復性?！　?/p>

圖2：時(shí)鐘準確性和精度的定義

　　由于網(wǎng)絡(luò )中機器之間通信速度從Kbps增加到Mbps、Gbps和萬(wàn)兆比特每秒，連續事件之間的時(shí)間間隙變得微不足道。過(guò)去，工業(yè)時(shí)鐘需要毫秒級的精度;但是，隨著(zhù)通信速度越來(lái)越快，工業(yè)時(shí)鐘需要微秒甚至納秒級的精度(圖3)?！　?/p>

圖3：隨數據速率的增加時(shí)鐘精度要求成倍增長(cháng)