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(yīng)用和機(jī)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)連接工廠內(nèi)的機(jī)器、機(jī)器人、傳感器、執(zhí)行器、控制器和計(jì)算機(jī)，以便于指令和數(shù)據(jù)的交換，從而同步它們的工作。網(wǎng)絡(luò)中機(jī)器的同步操作需要每個(gè)機(jī)器都有相同的“精密時(shí)間”。每臺(tái)機(jī)器上的精密時(shí)間保證了網(wǎng)絡(luò)中事件的相對(duì)順序。缺乏精確的時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器和機(jī)器人操作順序混亂CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差、重要信息丟失、甚至發(fā)生災(zāi)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(yīng)用和機(jī)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(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用專有的、特定供應(yīng)商提供的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接工廠內(nèi)的機(jī)器和計(jì)算機(jī)。專有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)致不同廠商機(jī)器之間的互操作困難，從而導(dǎo)致成本提高。然而，在過(guò)去的二十年，人們喜歡將應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)用于工廠內(nèi)的機(jī)器互連。在20世紀(jì)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(guī)模和成熟性促成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立，實(shí)現(xiàn)了不同廠商設(shè)備之間的互操作性、提供了大量的技術(shù)人才、降低了設(shè)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(kuò)展性和購(gòu)買可承受能力，但是它有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷。為了保持網(wǎng)絡(luò)連接和設(shè)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，這是被稱為“異步”或“盡力而為”的通信方式。如上所述CONTROL ENGINEERING China版權(quán)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(jié)點(diǎn)。在工廠中使用以太網(wǎng)進(jìn)行機(jī)器同步的首要挑戰(zhàn)是建立一個(gè)機(jī)制，在不可預(yù)知的異步網(wǎng)絡(luò)中準(zhǔn)確地分發(fā)精密時(shí)序。這個(gè)可預(yù)測(cè)的精密時(shí)序分發(fā)機(jī)制被稱為“精密時(shí)序協(xié)議(PTP)，這將在本文后面討論。PTP由IEEE標(biāo)準(zhǔn)“IEEE1588” (在不可預(yù)知的網(wǎng)絡(luò)中，可預(yù)測(cè)的維護(hù)精密時(shí)間的另一個(gè)術(shù)語(yǔ))定義，并且目前由該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)。

　　相反，傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用一個(gè)同步通信機(jī)制或一個(gè)單獨(dú)的專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所有機(jī)器的精密時(shí)間的分發(fā)。這兩種機(jī)制都需要分配專用的資源來(lái)建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，從而導(dǎo)致了較低的設(shè)備利用率、降低了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)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(zhàn)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(zhǔn)確性和精度

　　幾乎所有的現(xiàn)代化機(jī)器、傳感器、執(zhí)行器和計(jì)算機(jī)都有本地?cái)?shù)字時(shí)鐘。然而，這些本地時(shí)鐘是基于晶振的，隨著時(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(quán)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(jī)或者銣或銫時(shí)鐘。由于節(jié)點(diǎn)之間的通信速度成倍增長(zhǎng)，需要精度更高的時(shí)鐘來(lái)維持網(wǎng)絡(luò)中事件的相對(duì)順序。圖2說(shuō)明了時(shí)鐘準(zhǔn)確性和精度的概念。時(shí)鐘準(zhǔn)確性測(cè)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(cè)量到時(shí)間的可重復(fù)性。　　

圖2：時(shí)鐘準(zhǔn)確性和精度的定義

　　由于網(wǎng)絡(luò)中機(jī)器之間通信速度從Kbps增加到Mbps、Gbps和萬(wàn)兆比特每秒，連續(xù)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(jí)的精度;但是，隨著通信速度越來(lái)越快，工業(yè)時(shí)鐘需要微秒甚至納秒級(jí)的精度(圖3)?！　?/p>

圖3：隨數(shù)據(jù)速率的增加時(shí)鐘精度要求成倍增長(zhǎng)