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1 概述 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線技術的發(fā)展使智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結果的通信控制網絡相連，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網絡化和智能化發(fā)展。但是由于各類現(xiàn)場總線標準之間的不可兼容性無法實現(xiàn)統(tǒng)一，阻礙了現(xiàn)場總線技術的發(fā)展。另一方面，以太網技術作為壟斷辦公自動化領域的通信技術，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢，得到了工控界越來越多的關注和認可。用以太網技術來實現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場層的一致性通信，人們習慣上將應用到工業(yè)領域的以太網技術稱為“工業(yè)以太網”。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信網絡與信息網絡不同,工業(yè)數(shù)據(jù)通信不僅要解決信號的互通和設備的互連,而且需要解決信息的互通問題,即信息的互相識別、互相理解和互可操作。所謂信號的互通,即兩個需要互相通信的設備所采用的通信介質、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等參數(shù)，以及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議符合同一標準,不同的設備能連接在同一網絡上實現(xiàn)互連。 如果僅僅實現(xiàn)設備互連,但沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議(如應用層協(xié)議),那么不同設備之間還是不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義,就不能實現(xiàn)信息互通,也就不可能實現(xiàn)開放系統(tǒng)之間的互可操作�；タ刹僮餍允侵高B接到同一網絡上、不同廠家的設備之間，通過統(tǒng)一應用層協(xié)議進行通信與互用,性能類似的設備可以實現(xiàn)互換。這是工業(yè)數(shù)據(jù)通信網絡區(qū)別于一般IT 網絡的重要特點。 對工業(yè)控制來說，還有一個很重要的區(qū)別就是實時性。實時性的一個重要標志就是時間的確定性，通信時數(shù)據(jù)傳輸時間不是隨機的，而是可事先確定的。一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)在一個可準確預見的時間范圍內做出反應。反應速度由被控制過程來決定。對于高傳動性的系 統(tǒng)，實時性的要求就要更高了。 雖然以太網具有比現(xiàn)場總線高許多的傳輸速率，但是卻不能保證實現(xiàn)控制設備間的實時通信。這主要是因為標準的以太網協(xié)議是以CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/CollisionDetection，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)技術為基礎的，網絡上的各工作站對總線進行“監(jiān)聽”以確認總線是否空閑。如果空閑,它們就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個工作站同時試圖發(fā)送數(shù)據(jù),沖突就產生了。在這種情況下,訪問機制首先確保工作站停止傳輸數(shù)據(jù)，而后根據(jù)預定義的隨機選擇算法,工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程一直重復直至沖突消失。上述機制保證 了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送，可是從確定性行為的角度來看,這卻是一個很大的障礙。它允許數(shù)據(jù)傳輸時間可被任意推遲，也就不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信。要想使以太網技術在不改變其現(xiàn)有標準的前提下更好地應用到工控領域，就要找到一種解決方案來解決這個問題。 為此，各大公司開始研究基于以太網的通信的實時性問題，并各自提出了不同的解決方案。有些成果已得到了工業(yè)現(xiàn)場標準委員會的認可，并寫入新的標準中。 下面就介紹幾種解決方案，看他們是如何保證通信實時性的。 2 幾種解決方案分析 2.1 Ethernet Powerlink 這個方案是由奧地利貝加萊公司提出的Ethernet Powerlink 所采用的解決方法。EthernetPowerlink 是以快速以太網為基礎開發(fā)出來的實時工業(yè)以太網協(xié)議。貝加萊公司的目標是在快速以太網的基礎上，創(chuàng)建一個高速的、實時的、確定性的網絡環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據(jù)交 換，使抖動降到很小(小于1 μs),同時在不影響循環(huán)通信的情況下處理非循環(huán)的數(shù)據(jù)。而且，I/O與驅動數(shù)據(jù)能夠在相互之間以及與PCC 系統(tǒng)間完成同步傳輸。因為是完全建立在標準快速以太網之上，所以Ethernet Powerlink 完全符合標準的拓撲結構和物理特性，且能夠與IT 技 術無縫連接，傳輸速率為100 Mbps，最小循環(huán)周期為200 μs。使用帶RJ45 插頭的標準雙絞線電纜(超五類電纜)。網絡拓撲支持星型、樹型和菊花鏈型結構，單個網段最多可以連接240個實時站點。由于有實時性的要求，因此不允許使用交換機，只能使用集線器作為連接設備。 2.1.1 Ethernet Powerlink 的報文幀格式 
圖1 Powerlink 報文幀格式 報文幀格式采用了標準快速以太網的幀頭、幀尾，如圖1 所示。在以太網幀頭后面的是實際的Powerlink 報文，包括服務標識(SID)、目標地址(DA)、源地址(SA)和數(shù)據(jù)(Data)。其中Length/Type 字段的值>1 500,這是一個保留的EtherType，用于唯一地識別Powerlink 的報 文幀[1]。 其中：SID 包括SoC(Start of Cyclic)、EoC(End of Cyclic)、PollReq、PollRes、AsyncInvite、AsyncSend、AsyncAckNack;DA 為目標地址;SA 為源地址。 2.1.2 Ethernet Powerlink 的工作原理 雖然標準的以太網是以CSMA/CD 技術為基礎的，但CSMA/CD 的工作原理決定了它不能實現(xiàn)通信的確定性，于是Ethernet Powerlink 引入了SCNM(時間槽通信網絡管理)算法來保證實時以太網通信的確定性。 SCNM 給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時槽，保證在同一時間只有一個設備可以占用網絡媒介，從而徹底杜絕了網絡沖突的發(fā)生。Ethernet Powerlink 在通信管理上引入了管理節(jié)點(MN)和控制節(jié)點(CN)。整個網絡有唯一的管理節(jié)點，所以控制節(jié)點在管理節(jié)點上登記組態(tài)， 管理節(jié)點對網絡進行統(tǒng)一調度，為各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信分配時間信道。只有管理節(jié)點可以獨立地發(fā)送數(shù)據(jù)，可以以廣播的形式或指定發(fā)送;而控制節(jié)點只有在得到允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，且僅以廣播的形式，其他的節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)并進行監(jiān)督。對于實時數(shù)據(jù)，信道時間較 窄，可以精確管理;對于標準以太網數(shù)據(jù)包，首先拆成小包，然后納入相應的信道進行管理，因而數(shù)據(jù)也是確定性的[2]。 時間槽通信的周期包括開始階段、同步階段、異步階段和空閑階段，如圖2 所示。
圖2 Powerlink 的通信周期 每個階段的時間由管理節(jié)點預先設置，長度可以不同。管理節(jié)點隨時監(jiān)控循環(huán)時間，以保證預設的時間不會發(fā)生沖突，一旦沖突發(fā)生，將自動延續(xù)到下一個循環(huán)的開始位置。開始階段：管理節(jié)點廣播發(fā)送SoC 幀開始通信周期。此幀發(fā)出后，各節(jié)點就此同步。 只有SoC 幀由時間控制，其他幀由事件控制。 同步階段： 所有節(jié)點進行同步信息交換。管理節(jié)點按照一個預先定義的順序給某站發(fā)送一個PollPeq 幀，要求此節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù);此節(jié)點得到允許后以廣播的形式發(fā)出一幀PollRes回應信息，所有節(jié)點都可以接收到這幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，也包括那些應該得到這幀數(shù)據(jù)的節(jié)點。PollReq 和PollRes 都可以傳輸應用數(shù)據(jù)。管理節(jié)點循環(huán)訪問完所有節(jié)點后廣播發(fā)送EoC 幀指示同步結束。 異步階段：當確認隊列中無實時數(shù)據(jù)交換需要時，系統(tǒng)進入異步階段，異步通信主要傳輸標準以太網數(shù)據(jù)流。如果控制節(jié)點要發(fā)送異步數(shù)據(jù)，會在PollRes 幀中通知管理節(jié)點。管理節(jié)點查詢異步數(shù)據(jù)請求對列，發(fā)送“異步數(shù)據(jù)發(fā)送邀請(AInvite)”給要發(fā)送異步數(shù)據(jù)的節(jié)點。這時控制節(jié)點就可以發(fā)送異步數(shù)據(jù)到指定的節(jié)點。通過時間槽通信發(fā)送的數(shù)據(jù)報文會在接收節(jié)點還原成原始數(shù)據(jù)包。 空閑階段：在完成異步傳送數(shù)據(jù)后尚剩下的時間段。在這個時間段，所以網上的節(jié)點都處于等待狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。這個時間是個變量，也可能是0。 Ethernet Powerlink 在通信管理上引入的時間槽通信網絡管理，使每個通信周期可以有對應的時間域用于傳輸實時數(shù)據(jù)和標準以太網數(shù)據(jù)流，既能在保證數(shù)據(jù)通信的實時性要求，又能傳輸標準的以太網數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與標準以太網的兼容。 目前，實時開放的Ethernet Powerlink 工業(yè)以太網已順利通過IEC 國際標準。所有文檔都已通過IEC 組委會批準，Ethernet Powerlink 已被納入IEC 國際標準617842、61158300、61158400、61158500 和61158600。 2.2 總線內存管理和IEEE1588 機制 這種解決方法就是由德國倍福公司提出的EtherCAT(Ethernet for Control AutomationTechnology)。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 網絡，使用標準的以太網物理層和常規(guī)的以太網卡，傳輸介質可以是雙絞線或光纖。拓撲結構可以是線型、 樹型和星型結構。EtherCAT 使網絡性能達到一個新的境界，可以在30 μs 內處理1 000 個I/O的刷新，包括循環(huán)的時間;可以在一個以太網幀中交換多達1 468 個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)(這幾乎相當于12 000 個數(shù)字的輸入或輸出)，且僅需300 μs。同時，采用IEEE1588 標準規(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 報文幀格式采用標準以太網的幀頭和幀尾，且?guī)^中Type 段的值為0x88A4時，是一個唯一識別EtherCAT 報文的標志。EtherCAT 的報文直接包括在以太網數(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 突破了其他以太網的解決方案的限制，不必在每個連接點接收以太網數(shù)據(jù)包，然后進行解碼并復制為過程數(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。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。網絡內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 還通過內部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實時以太網幀比其他的數(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 標準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絡中所有站點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網的分布式運動控制系統(tǒng)達到精確同步。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確地確定另一個時鐘的實時偏移量，分布時鐘基于該值進行調整，這意味著它可以在網絡范圍內提供信號抖動小于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更加精確。 EtherCAT 作為一種可用于現(xiàn)場級的超高速的I/O 網絡，在技術方面已經開發(fā)出專用的芯片和從站控制器，也已經成為IEC617842 標準的一部分。 2.3 網段分隔和通信調度管理 《EPA 通信標準》是我國第一個擁有自主知識產權的現(xiàn)場總線國家標準，全稱是《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)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、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、清華大學和大連理工大學等單位聯(lián)合成立的標準起草小組，經過3 年多的技術攻關，而提出的基于工業(yè)以太網的實時通信控制系統(tǒng)解決方案。 在EPA 系統(tǒng)中，將控制網絡劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域為一個微網段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個微網段通過EPA 網橋與其他網段分隔，該微網段內EPA 設備間的通信被限制在本控制區(qū)域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。處于不同微網段內的EPA 設備間的通信，需由相應的EPA 網橋轉發(fā)控制。EPA 網橋至少有2 個EPA接口，當它需要轉發(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，不會發(fā)生采用一般交換機所出現(xiàn)的廣播風暴。這一方案比單純集線器方式的反應速度更快,抖動也更小。 2.3.1 實時問題的解決方案 為了提高網絡的實時性能，EPA 對ISO/IEC8802.3 協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進行了擴展，增加了一個EPA 通信調度管理實體(Communication Scheduling Management Entity,CSME)。 CSME 不改變IEC8802.3 數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務，也不改變與物理層的接口，只是完成對數(shù)據(jù)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(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)傳送設備，經過處理后再傳到網絡上，以避免同時向網絡上發(fā)送數(shù)據(jù)，產生報文沖突。 2.3.2 通信調度機制 在周期報文傳輸階段，每個EPA 設備向網絡上發(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)先級應為最高。 在非周期報文傳輸階段，每個EPA 設備向網絡上發(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 標準也是IEC617842 標準的成員，且在產品開發(fā)和工程應用上取得了較好的基礎，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、遠程分散控制站等產品，基于EPA 的分布式網絡控制系統(tǒng)也已在化工廠得到成功的應用。 結語 本文所介紹的3 種實時以太網的解決方案是目前市場上應用較廣和關注度較高的新型實時以太網方案。它們都在自己的方案中引入獨特的技術，來解決標準以太網用于工控領域不能滿足實時性要求的問題，打破以太網應用于控制系統(tǒng)現(xiàn)場級的瓶頸。在工業(yè)現(xiàn)場級通信中，以前的現(xiàn)場級標準一直沒能統(tǒng)一，希望在未來實時以太網技術能夠向統(tǒng)一的、更深的方向發(fā)展。 參考文獻 [1] www.ethernetpowerlink.org. [2] 許洪華，劉科. 確定性工業(yè)以太網Ethernet Powerlink[J]. 冶金自動化,2004(4). [3] EtherCAT Technology Group. http://www.ethercat.org. [4] 繆學勤. 實時以太網技術新進展[J]. 電氣時代,2005(6). [5] 德國倍福公司. 實時以太網：I/O 層超高速以太網[J]. 自動化博覽,2004(4). 作者：伍一帆(碩士)、石旭剛(副教授)、黃秀珍(碩士)：主要研究方向為光纖接入網和工業(yè)以太 網。蔣文榮(高級工程師)，從事計算機應用、公安信息網絡以及安全防范技術等方面的應用 和研究工作。 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 2008（10） |
