以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)方案

　　這種解決方法就是由德國(guó)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(gè)可用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的超高速I(mǎi)/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(shù)型和星型結(jié)構(gòu)。EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到一個(gè)新的境界，可以在30 μs內(nèi)處理1 000個(gè)I/O的刷新，包括循環(huán)的時(shí)間；可以在一個(gè)以太網(wǎng)幀中交換多達(dá)1 468個(gè)字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)（這幾乎相當(dāng)于12 000個(gè)數(shù)字的輸入或輸出），且僅需300 μs。同時(shí)，采用IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精確時(shí)間同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布時(shí)鐘精確同步，保證了控制器的同步時(shí)間偏差小于1 μs。

　　EtherCAT報(bào)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(shí)，是一個(gè)唯一識(shí)別EtherCAT報(bào)文的標(biāo)志。EtherCAT的報(bào)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(gè)EtherCAT的報(bào)文，而是包括n個(gè)報(bào)文。n表示在系統(tǒng)中所包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。每個(gè)報(bào)文中包括幀頭、數(shù)據(jù)和WKC（WorKing Counter）,用于記錄通過(guò)報(bào)文可以成功尋址的設(shè)備數(shù)量。EtherCAT報(bào)文幀格式如圖3所示。

　　圖3 EtherCAT報(bào)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(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過(guò)程數(shù)據(jù)。而且為了避免通信總線傳輸?shù)难舆t，德國(guó)倍福公司率先在EtherCAT中使用了FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）前沿技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)主站用于系統(tǒng)的控制，其他的都是從站，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文從主站被發(fā)出以后，每個(gè)從站中的FMMU就可以讀出數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)文通過(guò)時(shí)插入到報(bào)文中，報(bào)文僅有幾ns延遲。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最后一個(gè)從站向主站發(fā)送一個(gè)完整的幀，以形成和創(chuàng)建一個(gè)物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)系統(tǒng)，使實(shí)時(shí)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(jí)。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的間隙中傳輸（如果時(shí)間間隙足夠傳輸），或者通過(guò)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(shí)鐘同步機(jī)制，通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到精確同步。這在廣泛要求同時(shí)動(dòng)作的分布過(guò)程中顯得尤為重要，而分布時(shí)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(shí)鐘”和“子時(shí)鐘”的。每個(gè)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確地確定另一個(gè)時(shí)鐘的實(shí)時(shí)偏移量，分布時(shí)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(hào)抖動(dòng)小于1 μs的、非常精確的時(shí)鐘基。而且高性能分布時(shí)鐘不僅可以用于同步，還可以用于提供數(shù)據(jù)采集時(shí)本地時(shí)間的精確信息。同時(shí)，EtherCAT引入了時(shí)間戳數(shù)據(jù)類(lèi)型作為擴(kuò)展，使得對(duì)于速度的精確計(jì)算比自由同步誤差測(cè)量技術(shù)更加精確。

　　EtherCAT作為一種可用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的超高速的I/O網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)方面已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)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(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，全稱(chēng)是《用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA通信標(biāo)準(zhǔn)》。它是在國(guó)家科技部“863”計(jì)劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)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(guò)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(shí)時(shí)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(gè)控制區(qū)域，每個(gè)控制區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)微網(wǎng)段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)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(huì)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(gè)EPA接口，當(dāng)它需要轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，首先檢查報(bào)文中的源IP地址、目的IP地址和EPA服務(wù)標(biāo)識(shí)等信息，以確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，不會(huì)發(fā)生采用一般交換機(jī)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(dòng)也更小。

　　2.3.1 實(shí)時(shí)問(wèn)題的解決方案

　　為了提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能，EPA對(duì)ISO／IEC8802.3協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了一個(gè)EPA通信調(diào)度管理實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的調(diào)度管理，包括周期報(bào)文和非周期報(bào)文的調(diào)度。對(duì)于非周期報(bào)文，CSME不作任何處理直接傳輸；而對(duì)于周期性的報(bào)文，則要先根據(jù)事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級(jí)大小，傳送給數(shù)據(jù)傳送設(shè)備，經(jīng)過(guò)處理后再傳到網(wǎng)絡(luò)上，以避免同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)文沖突。

　　2.3.2 通信調(diào)度機(jī)制

　　在周期報(bào)文傳輸階段，每個(gè)EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報(bào)文是包含周期數(shù)據(jù)的報(bào)文。周期數(shù)據(jù)是指與過(guò)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(cè)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(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級(jí)應(yīng)為最高。

　　在非周期報(bào)文傳輸階段，每個(gè)EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報(bào)文包含非周期數(shù)據(jù)的報(bào)文。非周期數(shù)據(jù)是指用于以非周期方式在兩個(gè)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(xiě)數(shù)據(jù)、事件通知和趨勢(shì)報(bào)告等，以及ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP和IGMP等應(yīng)用數(shù)據(jù)。非周期報(bào)文按其優(yōu)先級(jí)高低，IP地址大小及時(shí)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(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用上取得了較好的基礎(chǔ)，已開(kāi)發(fā)出EPA變送器、執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)

　　本文所介紹的3種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的解決方案是目前市場(chǎng)上應(yīng)用較廣和關(guān)注度較高的新型實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案。它們都在自己的方案中引入獨(dú)特的技術(shù)，來(lái)解決標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域不能滿足實(shí)時(shí)性要求的問(wèn)題，打破以太網(wǎng)應(yīng)用于控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的瓶頸。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信中，以前的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一直沒(méi)能統(tǒng)一，希望在未來(lái)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)能夠向統(tǒng)一的、更深的方向發(fā)展。