实时工业以太网技术

发布时间：2004-02-09 Jim Montague，CONTROL ENGINEERING新闻编辑

　　实现以太网实时性的技术不止一种，事实上，似乎有多种努力正在帮助以太网用于实时应用，其中最值得一提的是IEEE 1588标准，它用于在分布式网络中对时钟进行同步。
　　
　　当在良好条件下单独运行时，以太网起动速度很快，且响应时间可达毫秒量级。但由于很多同样的原因（即所有通信、自动化和/或控制网络的应变能力有限），基于以太网的网络常常会停顿数毫秒或更长的时间。
　　设备及I/O层上的数据采集与传输问题；低效交换、太多设备以及网络自身流量的不恰当协调；还有在上一层通信（如TCP及UDP）上进行的误差检测及翻译障碍等，都能从基于以太网的网络上占取宝贵的时间。这些延迟阻碍了以太网一些知名的优势被应用到离散与运动控制，以及其他高速应用中。
　　“任何网络都将花费一定的开销，来作为捕获在网络上传输消息负载所需数据位的前同步或后同步信号。其负面效应是以太网的这种开销要远大于大多数协议的这种开销，特别在增加TCP/IP协议栈的时候；其正面效应是以太网传输数据的速度要比其他协议快很多”，CMC协会（Acton，MA）的首席执行官Dick Caro说，“比如，专用网络可以拥有16位的地址，而以太网则拥有48位地址，但它的速度如此之快以至于用户通常会将此弱点忽略不计。尽管如此，您也很难获得高于它所声称连网速度一半的速度，这意味着如果设备连网速度为100 Mbps，则其总的有效负载速度将接近50 Mbps”。
　　幸运的是，已经开发出几种用来提高以太网相关组件及软件速度的有用方法，而且还在开发更多这样的方法。其中一些方法利用创新技术来使网络通信更加顺畅，而另一些方法则只简单地寻求使数据发送及接收更为可靠。

　　IEEE 1588的同步机制
　　一种最有前途的实时以太网解决方案是IEEE 1588标准精确时间协议（Standard Precision Time Protocol，PTP），它定义了一种方法，用于对标准以太网或其他采用商用技术的分布式应用中的传感器执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。IEEE 1588最初由Agilent Laboratories（安捷伦实验室）（Palo Alto， CA）的John Eidson开发，并于2002年11月得到IEEE批准。

　　IEEE 1588的基本功能是用作对网络上其他所有设备进行同步的一种最精确时钟，Hirschmann Electronics 工业以太网产品开发部经理 Dirk Mohl 在他最近发表的论文--“IEEE 1588-- 一种充当自动化实时应用基础的精确时钟同步机制” 中说 。同时他还补充说，Hirschmann已经在它的Mice 模块化以太网交换机上测试了IEEE 1588 增强插件模块，并发现其同步精度在最大抖动时为±100纳秒，且主、从时钟之间偏移量的频率分布总计为23.95纳秒，平均为-4.248纳秒。
　　结果，已有数家制造商正在使用基于IEEE 1588 的方案，其中包括 Rockwell Automation 及Open DeviceNet Vendors Association（开放式网络设备供应商协会，ODVA），它们正在将1588与其称为CIP Sync（CIP同步）项目中的CIP（Common Industrial Protocol）及 EtherNet/IP 协议进行集成。在最近发表的一篇题为“IEEE 1588 在分布式运动控制系统中的应用”一文中，3位来自Rockwell Automation工程师宣布，他们已经在分布式控制系统样机中使用了1588，这种控制系统包括 3个运动控制器，每一控制器都利用一块 SERCOS卡并通过 SERCOS 与一个驱动器相连，且每个驱动器都被当成是运动的一个轴，但其中一个被指定为主轴，而另两个则被指定为从轴。
　　由于主轴控制器周期性地向每一从轴控制器发送位置参考信息，因而使每一从轴都能与主轴以一比一的比率相咬合。所有节点上的时钟（运行于50 MHz PowerPC CPU上）通过1588并借助以太网而被同步。基本运动操作要求每一节点上运行的运动任务都能彼此同步，而节点间进行的交易则基于一种同步定期更新循环，这种机制也被用于控制器至驱动器、以及控制器至控制器之间的信号交换。为同步系统中的所有运动，而将运动任务及位置更新循环同步在1588时钟上。
　　Rockwell Automation ACIG首席工程师Anatoly Moldovansky 说，“由于1588允许实施分布式时间同步，因此我们可将跨多个节点的分布式控制活动确定为时间的函数”。他同时还补充说，样机中将借助以太网而实现的1588与分布式运动一起使用，证明可靠而且精确。硬件辅助电路在主、从时钟之间提供百分之一百纳秒的抖动精度。
　　“在数据输入时取代进行反应的是，基于IEEE 1588 的网络上的设备可以确定其动作的时间，而这能以更小的带宽及更低的抖动来实现更有效的通信与控制”，ACIG 的 NetLinx 产品营销经理 Doug McEldowney说。

　　加速应用
　　在另一实时以太网项目中，Beckhoff自动化公司最近开发出一种名为RTEthernet 的概念，这是一种能利用7微秒报文来使其 TwinCat 软件与标准以太网控制器卡进行通信的软件。尽管它可能长达1500 字节，但最短的报文只含有 46个字节，足以用来指示 368个 I/O 点状态，而且对于一个 I/O 时钟来说一般已经够用。为将这一实时数据与其他网络流量分开，TwinCat 的I/O 系统利用实时相关对输入以太网帧进行过滤，并将时间敏感性较低的 TCP 消息存入缓冲器中。RTEthernet 概念的策略是避免产生TCP/IP及UDP/IP 开销，并利用其网络卡上的MAC-ID地址来将控制数据直接路由给设备。
　　除能保证速度外，RTEthernet 概念还能帮助提高现有网络的灵活性。例如，为将交联聚乙烯（PEX）装管生产线控制系统从PLC升级到基于PC的自动控制系统，Uponor Wirsbo公司最近选择了 Beckhoff公司基于 RTEthernet 的 BK9000以太网总线耦合器。该公司将 Beckhoff 的 C3640 PC用作主控器，并运行由 Uponor自行开发的 Visual Basic（VB）软件。这种程序通过施耐德电气公司的 Modbus TCP 以太网协议及 BK9000而与各种 I/O信号相连，从而形成一个通过以太网来将控制信号传给C3640的分布式以太网I/O接口。
　　Uponor 公司的电气工程师 Luther Kemp 说，他的公司需要一种通用且标准化的网络来控制其众多的机器设备。“如果、并且当出现问题时，这种方式为我们提供了调换故障部件的灵活性”，Kemp说，“我们能将 I/O 模块构建成我们需要的形式。而基于PC的以太网系统，例如 Beckhoff 提供的系统，可提供无限的编程能力。它为我们提供编写设备控制程序、创建定制用户界面、以及收集温度及处理速度等实时数据的广阔机会”。
　　同样，系统集成商--Paine Machine Tool公司（加拿大Delta, B.C.）最近用DNC解决方案对其16台CNC机器进行了升级，该方案包括由Quatech公司提供的 Thin Q以太网串联设备服务器（ESDS）。这些服务器将串行数据转换为以太网数据，并将串行数据积累在缓冲器中，然后再将其用数据包的形式发出，以减少以太网的网络流量。由于CNC机器一般从所连接的PC或LAN上“点滴（drip fed）”命令，因此这些数据包有时能潜在地引入不需要的等待时间。
　　ThinQ 采用一种软件可选的超低等待时间设置来解决这一问题，这种设置允许 Paine 的 CNC机器一收到数据即以“位接位”的方式来发送以太网数据。Quatech报告在最小2.16毫秒、最大71毫秒及平均2.5毫秒时间上测得的该设置的SDS功能。“这真的能为网络流量最小化提供帮助”, Quatech 公司产品营销经理David Johnson 说，“尤其在应用具有多台设备的时候，重要的是不给最重要的数据造成瓶颈”。

　　硬件效率 = 速度
　　Phoenix Contact公司产品营销经理Larry Komarek补充说，可通过将网络配置成能进行组播来提高实时以太网的性能，这要优于在某一时刻打开与一台设备的点对点、单播通信。组播先使一组预先确定的设备上线，然后再将它们同时广播。这也是一种在虚拟局域网（VLAN）常用的方法，并且它还有助于提高网络的数据吞吐量。
　　McEldowney建议采用全双工通信来为达到I/O层次的网络实现IGMP侦听功能，以便过滤这种组播数据。他同时还建议采用端口镜像，这涉及在一台交换机上将通信镜像给第二个端口，以进行诊断。“这有点像利用交换机来窃听通信，以反映正在进行的操作”，McEldowney说，“当你指望通过以太网来进行控制时，这很有用，但你可能需要更多的安全要求”。
　　其他一些与以太网交换机有关的效率包括可利用VLAN来隔离交换机中的网络流量，这使一台12端口的交换机能被用作两台独立的交换机。“但您必须保证您的交换机能跟得上网络及其相连设备的线速”，他补充说。
　　CMC协会的 Caro 补充说，简单地使用以太网可提高实时性能，因为它们能用硬件来达到现场总线协议必须用逻辑电路才能达到的性能。“随着数据从以太网交换机中的A点移往B点，它即能知道源和目的地址”，他说，“如果你试图用现场总线来完成这项工作，则将费用会非常昂贵，甚至比这一点更多，因为以太网硬件速度更快而且价格更便宜”。

　　相关更多信息，请访问下列网站或进入
　　www.cechinamag/freeinfo输入咨询编号查询
　　Beckhoff Automation
　　www.beckhoff.com   225
　　Hirschmann Electronics
　　hus.hirschmann.com   226
　　IEEE
　　www.ieee.org   227
　　ODVA
　　www.odva.org   228
　　Phoenix Contact
　　www.phoenixcon.com   229
　　Quatech
　　www.quatech.com   230
　　Rockwell Automation
　　www.rockwellautomation.com   231