以太網(wǎng)協(xié)議實時性的設(shè)計方案

　　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(biāo)準(zhǔn)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?fù)浣Y(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(dá)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(dá)1 468個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)（這幾乎相當(dāng)于12 000個數(shù)字的輸入或輸出），且僅需300 μs。同時，采用IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(jìn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dá)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(zhǔn)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(zhǔn)確地確定另一個時鐘的實時偏移量，分布時鐘基于該值進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的一部分。

　　2.3 網(wǎng)段分隔和通信調(diào)度管理

　　《EPA通信標(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)準(zhǔn)，全稱是《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標(biāo)準(zhǔn)》。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、中科院沈陽自動化研究所、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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)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(biāo)識等信息，以確認(rèn)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(fēng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)也是IEC617842標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。