以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時(shí)性的設計方案
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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(gè)可用于現場(chǎng)級的超高速I(mǎi)/O網(wǎng)絡(luò )，使用標準的以太網(wǎng)物理層和常規的以太網(wǎng)卡，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)或光纖。拓撲結構可以是線(xiàn)型、樹(shù)型和星型結構。EtherCAT使網(wǎng)絡(luò )性能達到一個(gè)新的境界，可以在30 μs內處理1 000個(gè)I/O的刷新，包括循環(huán)的時(shí)間；可以在一個(gè)以太網(wǎng)幀中交換多達1 468個(gè)字節的協(xié)議數據（這幾乎相當于12 000個(gè)數字的輸入或輸出），且僅需300 μs。同時(shí)，采用IEEE1588標準規定的精確時(shí)間同步機制實(shí)現分布時(shí)鐘精確同步，保證了控制器的同步時(shí)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，且幀頭中Type段的值為0x88A4時(shí)，是一個(gè)唯一識別EtherCAT報文的標志。EtherCAT的報文直接包括在以太網(wǎng)數據中，且在數據區域并不是只有一個(gè)EtherCAT的報文，而是包括n個(gè)報文。n表示在系統中所包含的節點(diǎn)的個(gè)數。每個(gè)報文中包括幀頭、數據和WKC（WorKing Counter）,用于記錄通過(guò)報文可以成功尋址的設備數量。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(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數據包，然后進(jìn)行解碼并復制為過(guò)程數據。而且為了避免通信總線(xiàn)傳輸的延遲，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(gè)系統只有一個(gè)主站用于系統的控制，其他的都是從站，當數據報文從主站被發(fā)出以后，每個(gè)從站中的FMMU就可以讀出數據報文中指定到此的數據。同樣，輸入數據可以在數據報文通過(guò)時(shí)插入到報文中，報文僅有幾ns延遲。網(wǎng)絡(luò )內的最后一個(gè)從站向主站發(fā)送一個(gè)完整的幀，以形成和創(chuàng )建一個(gè)物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過(guò)內部?jì)?yōu)先級系統，使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀比其他的數據（如組態(tài)或診斷數據等）具有更高的優(yōu)先級。組態(tài)數據只在傳輸實(shí)時(shí)數據的間隙中傳輸（如果時(shí)間間隙足夠傳輸），或者通過(guò)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(shí)鐘同步機制，通過(guò)一個(gè)同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò )中所有站點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式運動(dòng)控制系統達到精確同步。這在廣泛要求同時(shí)動(dòng)作的分布過(guò)程中顯得尤為重要，而分布時(shí)鐘的精確校準是同步的最有效解決方案。在EtherCAT中，數據交換是完全基于硬件“主時(shí)鐘”和“子時(shí)鐘”的。每個(gè)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單和準確地確定另一個(gè)時(shí)鐘的實(shí)時(shí)偏移量，分布時(shí)鐘基于該值進(jìn)行調整，這意味著(zhù)它可以在網(wǎng)絡(luò )范圍內提供信號抖動(dòng)小于1 μs的、非常精確的時(shí)鐘基。而且高性能分布時(shí)鐘不僅可以用于同步，還可以用于提供數據采集時(shí)本地時(shí)間的精確信息。同時(shí)，EtherCAT引入了時(shí)間戳數據類(lèi)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作為一種可用于現場(chǎng)級的超高速的I/O網(wǎng)絡(luò )，在技術(shù)方面已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)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)段分隔和通信調度管理
《EPA通信標準》是我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權的現場(chǎng)總線(xiàn)國家標準，全稱(chēng)是《用于工業(yè)測量與控制系統的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(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)和大連理工大學(xué)等單位聯(lián)合成立的標準起草小組，經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)通信控制系統解決方案。
在EPA系統中，將控制網(wǎng)絡(luò )劃分為若干個(gè)控制區域，每個(gè)控制區域為一個(gè)微網(wǎng)段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進(jìn)行，而不會(huì )占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網(wǎng)橋轉發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個(gè)EPA接口，當它需要轉發(fā)報文時(shí)，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，以確認是否需要轉發(fā)，并確定報文轉發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉發(fā)也將受到控制，不會(huì )發(fā)生采用一般交換機所出現的廣播風(fēng)暴。這一方案比單純集線(xiàn)器方式的反應速度更快,抖動(dòng)也更小。
2.3.1 實(shí)時(shí)問(wèn)題的解決方案
為了提高網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性能，EPA對ISO／IEC8802.3協(xié)議規定的數據鏈路層進(jìn)行了擴展，增加了一個(gè)EPA通信調度管理實(shí)體（Communication Scheduling Management Entity,CSME）。CSME不改變IEC8802.3數據鏈路層提供的服務(wù)，也不改變與物理層的接口，只是完成對數據報文的調度管理，包括周期報文和非周期報文的調度。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，則要先根據事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級大小，傳送給數據傳送設備，經(jīng)過(guò)處理后再傳到網(wǎng)絡(luò )上，以避免同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送數據，產(chǎn)生報文沖突。
2.3.2 通信調度機制
在周期報文傳輸階段，每個(gè)EPA設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過(guò)程有關(guān)的數據，例如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊I／O之間需要按周期更新的數據。周期報文發(fā)送的優(yōu)先級應為最高。
在非周期報文傳輸階段，每個(gè)EPA設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個(gè)通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀/寫(xiě)數據、事件通知和趨勢報告等，以及ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP和IGMP等應用數據。非周期報文按其優(yōu)先級高低，IP地址大小及時(shí)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(kāi)發(fā)和工程應用上取得了較好的基礎，已開(kāi)發(fā)出EPA變送器、執行器、現場(chǎng)控制器、數據采集器、遠程分散控制站等產(chǎn)品，基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統也已在化工廠(chǎng)得到成功的應用。
結語(yǔ)
本文所介紹的3種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的解決方案是目前市場(chǎng)上應用較廣和關(guān)注度較高的新型實(shí)時(shí)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(lái)解決標準以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的問(wèn)題，打破以太網(wǎng)應用于控制系統現場(chǎng)級的瓶頸。在工業(yè)現場(chǎng)級通信中，以前的現場(chǎng)級標準一直沒(méi)能統一，希望在未來(lái)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)能夠向統一的、更深的方向發(fā)展。
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