實(shí)時控制協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
摘要
本文介紹了一種實(shí)時以太網(wǎng)控制協(xié)議，該協(xié)議能夠保證實(shí)時信號的發(fā)送有確定的最大時延，而且它與現(xiàn)有的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議兼容.分析了協(xié)議的工作原理披滑，證明該協(xié)議是可行的有效的。
關(guān)鍵詞: 工業(yè)以太網(wǎng);實(shí)時;控制協(xié)議
引言
現(xiàn)場總線技術(shù)把基于封閉轮拼、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案安芋，世界各大公司開發(fā)了各種各樣的現(xiàn)場總線才延，號稱開放的現(xiàn)場總線也有40多種，現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158也包含了8種之多售芳，形成了多種現(xiàn)場總線并存的局面陈园。但是，這些現(xiàn)場總線之間不能實(shí)現(xiàn)互操作肿犁，現(xiàn)場總線技術(shù)也不能為企業(yè)提供從現(xiàn)場控制層到管理層的全面信息集成湘志，而且現(xiàn)場總線較低的通信速率也不能滿足工業(yè)控制越來越多的數(shù)據(jù)交換的需要。世界各大廠商開始尋找其它途徑整空，目前在信息網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)已成為新的目標(biāo)羽抒。
Ethernet具有成本低、穩(wěn)定偶凝、可靠蝶锋、應(yīng)用廣泛和共享資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此迅速發(fā)展起來什往，使其成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一扳缕，不僅壟斷了辦公自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上層的網(wǎng)絡(luò)通信中也得到了廣泛應(yīng)用别威，并直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層通信躯舔。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性要求
以太網(wǎng)被認(rèn)為是幾乎所有網(wǎng)絡(luò)相關(guān)自動化問題的有效解決方案—設(shè)備層通信、控制省古、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎嘧珜⒅糜诠I(yè)控制則要認(rèn)真考慮其互操作性和安全性。這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)技術(shù)自身只提供了一系列的物理介質(zhì)定義和一個共享的構(gòu)架衫樊，構(gòu)架包括物理介質(zhì)飒赃、簡單的幀格式和LAN內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膶ぶ贩桨浮Ｒ罁?jù)開放式系統(tǒng)互聯(lián)7層參考模型科侈，以太網(wǎng)僅提供了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議载佳。所以，所有以太網(wǎng)都可以支持在其之上的一種或多種上層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理功能蔫慧。上層協(xié)議決定了網(wǎng)絡(luò)支持的功能級仁吟、連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。
OSI 7層模型示意圖
Internet采用了TCP/ IP作為網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議脯阔，它提供了設(shè)備間交換數(shù)據(jù)的一套服務(wù)夏捣。但是，TCP/ IP并不能保證設(shè)備間有效的通信摇值，只能提供信息的傳送贵筹。因此，在工業(yè)設(shè)備間的通信必須采用通用的應(yīng)用層協(xié)議茫步。這種通用的應(yīng)用層協(xié)議采用在普通應(yīng)用層上的TCP/ IP封裝翼毡，使工業(yè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)在以太網(wǎng)信息里將數(shù)據(jù)封裝起來，然后該節(jié)點(diǎn)將帶有TCP/ IP的信息發(fā)送到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拿豺。這個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層使工業(yè)自動化和控制設(shè)備的互操作性和互換性成為可能既感。
實(shí)際上，在控制系統(tǒng)中存在著兩種信息：實(shí)時I/O數(shù)據(jù)（（I/ O message）和用于組態(tài)咱缭、參數(shù)設(shè)置挂悲、診斷等的顯式信息（Explicit Message）。前者不包含任何協(xié)議信息俊戳，只含有要求快速傳送的I/O實(shí)時數(shù)據(jù)揖赴。它的特點(diǎn)是要求采用短幀結(jié)構(gòu)、協(xié)議額外開銷少品抽、執(zhí)行實(shí)時傳送储笑，因此要采用UDP/ I P（ User Datagram Protocol/ Internet Protocol）協(xié)議。而后者的數(shù)據(jù)包含了協(xié)議信息和執(zhí)行服務(wù)的指令圆恤，節(jié)點(diǎn)要翻譯該信息的內(nèi)容突倍、執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)并產(chǎn)生應(yīng)答信號，因此采用TCP/ IP協(xié)議盆昙。以UDP/ IP和TCP/ IP分別封裝I/O信息和顯式信息羽历，可以保證提供不同網(wǎng)絡(luò)性能要求的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，還使工業(yè)自動化和控制設(shè)備具有互操作性和互換性淡喜。
基于以太網(wǎng)的實(shí)時通信層次模型
實(shí)時以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議技術(shù)
1傳統(tǒng)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議
以太網(wǎng)提供波特率為10 Mbps或100 Mbps的快速秕磷、高效的傳輸。但是炼团，在一個繁忙的環(huán)境中澎嚣，以太網(wǎng)并不能為節(jié)點(diǎn)提供固定的網(wǎng)絡(luò)訪問時間。相反的存妇，它用一種稱之為帶有沖突檢測的載波偵聽多路存饶腥怼（CSMA/ CD）的判優(yōu)算法禁微。使用CSMA/ CD，每個節(jié)點(diǎn)會在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽網(wǎng)路灯烤。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)路有空恢核，它就開始傳輸。否則欧蠢，它就等到網(wǎng)路空閑為止忠宙。大多數(shù)時候，網(wǎng)路偵聽可以保證消除沖突榴烦。以太網(wǎng)的速度足以使節(jié)點(diǎn)等待網(wǎng)絡(luò)空閑杀打，而浪費(fèi)的時間僅僅造成一個很小且有上限的延遲。然而绝壹，有這樣一種可能焚卖，2個節(jié)點(diǎn)同時等待一個傳輸?shù)慕Y(jié)束。在這種情況下匿党，他們會同時偵聽到一個空閑的網(wǎng)路并且同時開始傳輸。這就會造成一個沖突寓落，所以兩個節(jié)點(diǎn)必須通過調(diào)停來決定網(wǎng)路的訪問括丁。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)探測到一個沖突，它就會回退伶选，并等待2個時間間隔后在重試數(shù)據(jù)的發(fā)送史飞。如果重發(fā)失敗，最大等待時間將會加倍仰税，而節(jié)點(diǎn)將在一個隨機(jī)的時間端之后再次重發(fā)构资。這種算法會持續(xù)到網(wǎng)路空閑為止。在1個10 Mbps的網(wǎng)絡(luò)中陨簇，時間間隔為51 .2us 吐绵。在100 Mbps的網(wǎng)絡(luò)中，一個時間間隔僅為5 .12us 河绽。但等待時間加倍的算法不會一直繼續(xù)己单，它將在10次后停止加倍，并在16次后顯示錯誤信號耙饰。這樣纹笼，這種指數(shù)形式的補(bǔ)償計(jì)算會造成不可預(yù)知的延遲。
[DividePage:NextPage]
2工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通信分析
為了檢測到信道上的沖突卫殷，首先給出最小競爭時隙的概念炫允，定義網(wǎng)絡(luò)上相距最遠(yuǎn)的2個節(jié)點(diǎn)的信號傳播時延的2倍為最小競爭時隙.如果1個節(jié)點(diǎn)開始傳輸后，在一個最小競爭時隙內(nèi)沒有檢測到?jīng)_突嗡沈，該節(jié)點(diǎn)獲得了信道的訪問控制權(quán).系統(tǒng)中睛村，非實(shí)時節(jié)點(diǎn)遵循標(biāo)準(zhǔn)CSM A/CD協(xié)議绎编，而實(shí)時節(jié)點(diǎn)遵循實(shí)時以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議（RT-CSM A/CD），該協(xié)議的基本思想是:有實(shí)時數(shù)據(jù)要發(fā)送時锚蛀，首先偵聽信道曙悠，如果信道空閑，實(shí)時節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送.發(fā)送后如果檢測到?jīng)_突核宿，實(shí)時節(jié)點(diǎn)并不像非實(shí)時節(jié)點(diǎn)一樣停止傳輸烘韩，而堅(jiān)持發(fā)送競爭信號，競爭信號的長度不小于最小競爭時隙的長度.因?yàn)榉菍?shí)時節(jié)點(diǎn)遵循堅(jiān)持CSM A/CD協(xié)議顾篡，檢測到?jīng)_突后都停止信號發(fā)送室用，在實(shí)時節(jié)點(diǎn)發(fā)送完一個競爭信號之前，非實(shí)時節(jié)點(diǎn)都將退出競爭.剩下的實(shí)時節(jié)點(diǎn)按照優(yōu)先級的大小決定是堅(jiān)持發(fā)送競爭信號還是讓出信道給更高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)在竹，優(yōu)先級越高的節(jié)點(diǎn)堅(jiān)持發(fā)送競爭信號的次數(shù)越多.當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)發(fā)送完一個競爭信號后添瓷，如果檢測到信道上的沖突已消失，說明其他的實(shí)時節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)退出競爭值纱，該節(jié)點(diǎn)就取得信道的訪問控制權(quán)鳞贷，停止傳輸競爭信號，重傳被破壞的數(shù)據(jù)幀虐唠。
設(shè)總線上相距最遠(yuǎn)的2個節(jié)點(diǎn)的信號傳輸時延為τp搀愧，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀等長，發(fā)送一幀所需要的時間為τ疆偿，檢測沖突后發(fā)出的阻塞信號時寬R咱筛，實(shí)時節(jié)點(diǎn)的競爭信號長度等于L.設(shè)幀間距時間間隔為TI，實(shí)時節(jié)點(diǎn)從取得信道到開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間間隔為T ‘I杆故，要求T ‘I< TI .設(shè)信道上有n個實(shí)時節(jié)點(diǎn).試想優(yōu)先級最高的實(shí)時節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀到達(dá)時所遇到的最壞情況:信道剛好被其他節(jié)點(diǎn)占用迅箩，實(shí)時節(jié)點(diǎn)必須等待信道空閑，等待時間是數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間T,信道空閑后再等待T i時間間隔处铛，然后實(shí)時節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀饲趋，但發(fā)生沖突，最大競爭次數(shù)為n撤蟆，用于信道競爭的最大時延為
TI +2τp+R+nL+T ‘I
總的最大發(fā)送等待時延為
TI +2τp+R+nL+T ‘I+τ
是一個確定值篙贸，即該實(shí)時信號的發(fā)送有確定的最大時延.其他優(yōu)先級的實(shí)時節(jié)點(diǎn)在保證高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)發(fā)送完成的情況下，也可相應(yīng)計(jì)算出其最大發(fā)送時延.
實(shí)時通信協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
不同于以往的源/目的的通信模式譬椰，實(shí)時控制協(xié)議采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者（Producer/ Consumer）的通信模式（如圖3）踏蚓，允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)同時存取同一個源的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)者/消費(fèi)者的模式中數(shù)據(jù)被分配一個唯一的標(biāo)識姚不，根據(jù)具體的標(biāo)識惫投，網(wǎng)絡(luò)上多個不同的節(jié)點(diǎn)可以接收到來自于同一個發(fā)送者的數(shù)據(jù)。其結(jié)果是衷玩，數(shù)據(jù)的傳輸更為經(jīng)濟(jì)蹬谁，每個數(shù)據(jù)源一次性地把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上扔缭，其他節(jié)點(diǎn)選擇性地收取這些數(shù)據(jù)，不浪費(fèi)帶寬癞烈，提高了系統(tǒng)的通信效率洗馅，因?yàn)椴还苡卸嗌賯€節(jié)點(diǎn)需要接收這個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只需產(chǎn)生一次堕常。數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的時間傳送到不同的節(jié)點(diǎn)赌羽，可以實(shí)現(xiàn)通信的精確同步。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模型
實(shí)時訪問控制協(xié)議作為一種開放的技術(shù)缤弦，同時受到Control Net和DeviceNet總線標(biāo)準(zhǔn)的支持领迈。Control Net和DeviceNet是先進(jìn)的現(xiàn)場總線協(xié)議，分別由CI（ Control Net International）和ODVA兩個組織來管理技術(shù)和推廣碍沐，在世界上受到700多個大廠商的響應(yīng)狸捅。實(shí)時訪問控制協(xié)議支持 IEEE 802 .3物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、 TCP/ IP協(xié)議簇（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）以及以太網(wǎng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還有控制與信息協(xié)議CIP（ Control and Information Protocol）累提，這個協(xié)議提供了I/O實(shí)時信息的交換尘喝。
實(shí)時訪問控制協(xié)議與ControlNet .DeviceNet最大的共同點(diǎn)是具有相同的應(yīng)用層通信協(xié)議，共享設(shè)備行規(guī)和對象庫斋陪。這些對象庫可支持不同廠商的各類產(chǎn)品間的即插即用的互操作性和互換性瞧省。
實(shí)時控制協(xié)議解決了以太網(wǎng)上的設(shè)備間的互操作性和互換性。在此之前鳍贾，各大設(shè)備制造廠商在以太網(wǎng)上采用了各自獨(dú)立的應(yīng)用層協(xié)議（如Profibus和Modbusover Ethernet）。雖然它們后來也提供了網(wǎng)關(guān)的解決方案交洗，但不提供到應(yīng)用層的無縫連接骑科，同時增加了硬件和系統(tǒng)組態(tài)的開銷。工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時協(xié)議則采用了開放的應(yīng)用層构拳，通過一致性的檢測來保證不同廠商的設(shè)備間的互操作性和互換性账菊，即它可以提供到Control Net和DeviceNet的應(yīng)用層的無縫連接。
結(jié)束語
改善以太網(wǎng)在工業(yè)控制應(yīng)用中的實(shí)時能力除了采用實(shí)時訪問控制協(xié)議耀奠，還要采用其他的方法册吹。首先，限制以太網(wǎng)通信負(fù)載的大小用堤，使其處于輕載狀態(tài)馒狡。采用盡量少的節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以有效地降低延遲。其次萌烁，采用快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)來取代傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)煮肋。此外，還有通過雙工通信技術(shù)绎儡、流量控制响友、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）详不、自動負(fù)載平衡、自動協(xié)商等新技術(shù)扳辉。
以太網(wǎng)上層增加實(shí)時通信協(xié)議妖救，在避免了改變以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，提高了整個通信模型的通信確定性和實(shí)時性問題粒梦，為將廉價的商用以太網(wǎng)引入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提供了一種簡單易行的途徑亮航。隨著以太網(wǎng)性能的進(jìn)一步提高，加上高速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)的普及谍倦，以太網(wǎng)技術(shù)將更加廣泛地應(yīng)用于工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)塞赂。
聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享昼蛀，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)宴猾，也不構(gòu)成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布叼旋、編輯整理上傳仇哆，對此類作品本站僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)夫植。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻讹剔、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題详民，請第一時間告知延欠，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容，以保證您的權(quán)益却师！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn禽虹。
- 暫無反饋