以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時(shí)性的設計方案

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／Collision Detection，載波*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“*”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。Ethernet Powerlink 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。