实时以太网技术最新进展

在世界各国研发机构的共同推动下，以太网技术得以极其快速的发展，关键技术正逐个被攻破，工业现场环境的安装应用将被解决。随着初期研发投资被消化以后，工业以太网相对于现场总线的性价比优势将逐渐凸现。我们相信，从现在开始，就将会出现工业以太网和 实时以太网迅速推广应用的局面。 工业控制网络的实时性要求 我们知道，用于工业自动化系统的网络通信技术来源于IT信息的计算机网络技术，但是又不同于一般的计算机网络通信，这是因为IT网络通信是以传递信息为最终目的，而工业控制网络传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目标。所以，用于测量和控制数据通信的主要特点是：允许对事件进行实时响应的事件驱动通信，很高的可用性，很高的数据完整性，在有电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作，以及使用工厂内专用的传输线等。其中，最主要的要求是网络通信的高实时性。 对于工业自动化系统来说，目前根据不同的应用场合，将实时性要求划分为三个范围：信息集成和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是100ms或更长；绝大多数的工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5～10ms；对于高性能的同步运动控制应用，特别是在100个节点下的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求小于1ms，同步传送和抖动小于1μs。工业控制网络的实时性还规定了许多技术指标，如交付时间、吞吐量、时间同步、时间同步精度以及冗余恢复时间等，对于这些性能指标都有详细的规定，例如：我国制定的《用于工业测量与控制系统的EPA，系统结构与通信标准》的国家标准中规定网络的时间同步精度分为8个等级，即0：无精度要求，1：＜1s，2：＜100ms，3：＜10ms，4：＜1ms，5：＜100μS，6：＜10μS，7：＜1μS。 工业以太网与实时以太网 长期以来，关于现场总线的争论不休，互通与互操作问题很难解决，于是现场总线开始转向以太网。经过近几年努力，以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。众所周知，Ethernet网络出现于1975年，并于1982年制定成为IEEE802.3标准的第一版本，1990年2月该标准正式成为ISO／IEC8802.3国际标准。在这期间，Ethernet从最初10Mbit／s以太网，过渡到100Mbit／s快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的光纤以太网和万兆以太网。可以说，开放的Ethernet是30年来发展最成功的网络技术，它是在与IEEE 802.4令牌总线局域网和IEEE802.5令牌环局域网两个对手的竞争中脱颖而出的，并导致了一场信息技术革命。Ethernet网的快速发展和广泛应用，有力地推动了高技术芯片和系统开发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。因而，Ethernet每年在世界上的安装量超过上亿个节点。 通常，人们习惯上将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。但是，如果仔细划分，按照国际电工委员会SCBSC的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符合IEEE802.3标准，按照IEEE802.1D《媒体访问控制（MAC）网桥》规范和IEEE802.1Q《局域网虚拟网桥》规范，对其没有进行任何实时扩展（Extension）而实现的以太网。通过采用减轻以太网负荷，提高网络速度，采用交换式以太网和全双工通信，采用信息级、流量控制以及虚拟局域网等技术，到目前为止可以将工业以太网的实时响应时间做到5～10ms，相当于现有的现场总线。工业以太网在技术上与商用以太网是兼容的。 对于响应时间小于5ms的应用，工业以太网已不能胜任。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案建立在IEEE802.3标准基础上，通过对其和相关标准的实时扩展，提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网（Real Time Ethernet，简称RTE）。为了规范这部分工作的行为，2003年5月，IEC／SCBSC专门成立了WALL实时以太网工作组，该工作组负责制定IEC61784-2《基于ISO／IEC8802-3的实时应用系统中工业通信网络行规》国际标准，在该标准中包括：Communication Profile Family-2 Ethernet／IP，CPF3-PROFINET，CPF4P-NET，CPF6-Interbus，CPF10-VNET／IP，CPF11-TCNET，CPF12-EtherCAT，CPF13-Ethernet PowerLink，CPF14-EPA（中国），CPF15-NODBUS／TCP以及CPF16-SERCOS等11种实时以太网进行规化。其中，包括我国EPA实时以太网标准的6个新增实时以太网将以IEC PAS（Publicly Available Specification）公共可用规范予以发表。在上述实时以太网技术中，将有6个主要竞争者：EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、PROFINET MODBUS-IDA和Ethernet／IP等。 六种主要实时以太网通信协议分析 根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分为4类，如图1所示。图1中①是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型。②采用在TCP／IP之上进行实时数据交换方案。③采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型。④采用集中调度提高实时性的解决方案。⑤采用类似Interbus现场总线“集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。图1中同时给出了6种实时以太网技术方案的归类情况。由于实时以太网技术涉及很多方面，限于篇幅，这里仅对通信协议做简要论述与分析。 1．我国的EPA实时以太网 EPA（Ethernet for Plant Automation）用于工业测量与控制系统的以太网标准是在国家科技部“863”计划的支持下，浙江大学、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、大连理工大学和清华大学等单位联合成立了浙江中控技术股份有限公司，由该公司总裁金建祥教授为组长的标准起草工作组起草。 EPA网络拓扑结构如图2所示，它由两级网络组成，即过程监控级L2网和现场设备级L1网。现场设备级L1网用于工业生产的各种现场设备（如变送器、执行机构和分析仪器等）之间以及现场设备与L2网的连接；过程监控级L2网主要用于控制室仪表、装置以及人机接口之间的连接。无论是L1网还是L2网，均可分为一个或几个微网段。 在EPA系统中，将控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过EPA网桥与其他网段分隔，该微网段内EPA设备间的通信被限制在本控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。处于不同微网段内的EPA设备间的通信，需由相应的EPA网桥转发控制。 为了提高网络的实时性能，EPA对ISO／IEC8802.3协议规定的数据链路层进行了扩展，在其之上增加了一个EPA通信调度管理实体（Communication Scheduling Management Entity,简称EPA_CSME）。EPA_CSME不改变IEC8802.3数据链路层提供给DLS_User的服务，也不改变与物理层的接口，只是完成对数据报文的调度管理。该数据链路层模型如图3所示。 EPA CSME通信调度管理实体支持：完全基于CSMA／CD自由竞争的通信调度和基于分时发送的确定性通信调度。对于第一种通信调度，EPA_CSME直接传输DLE与DLS_User之间交互的数据，而不作任何缓存和处理。对于第二种通信调度，每个EPA设备中的EPA_CSME将DLS_User DATA根据事先组态好的控制程序和优先级大小，传送给DLE，由DLE处理后通过PHLE送到网络，以避免两个设备在同一时刻向网络上同时发送数据，避免报文碰撞。下面介绍EPA通信调度的具体规程。 在一个EPA微网段内，所有EPA设备的通信均按周期进行，完成一个通信周期所需的时间T成为一个通信宏周期。通信宏周期T分为两个阶段：第一个阶段为周期报文传输阶段Tp，第二个阶段为非周期报文传输阶段Tn，如图4所示。 在周期报文传输阶段Tp，每个EPA设备向网络上发送的报文是包含周期数据的报文。周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的测量值、控制值，或功能块I／O之间需要按周期更新的数据。周期报文的发送优先级应为最高。 在非周期报文传输阶段Tn，每个EPA设备向网络上发送的报文包含非周期数据的报文。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据，如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知和趋势报告等数据，以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP和IGMP等应用数据。非周期报文按其优先级高低，IP地址大小及时间有效方式发送。 EPA实时以太网标准定义了基于ISO／IEC8802.3、RFC791、RFC768和REC793等协议的EPA系统结构，数据链路层协议，应用层服务定义与协议规范，以及基于XML的设备描述规范。该规范面向控制工程师的应用实际，在关键技术攻关的基础上，结合工程应用实践，形成了微网段化系统结构，确定了通信调度、总线供电、分层网络安全控制策略、冗余管理、三级式链路访问关系，基于XML的设备描述语言等方面的特色，并拥有完全的自主知识产权。目前，EPA已有多种产品，包括基于EPA的变送器、执行器、现场控制器、数据采集器、远程分散控制站、无纸记录仪等产品，基于EPA的分布式网络控制系统已在化工厂得到成功应用。 2．Ethernet／IP实时以太网 Ethernet／IP实时以太网技术由ControlNet国际组织CI、工业以太网协会IEA和开放的Device Net供应商协会ODVA等共同开发的工业网络标准。 Ethernet／IP实时扩展成功之处在于TCP／IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），在应用层进行实时数据交换和运行实时应用，其通信协议模型如图5所示。CIP的控制部分用于实时I／O报文或隐形报文。CIP的信息部分用于报文交换，也称作显性报文。Control-Net、DeviceNet和Ethernet／IP都是用该协议通信，3种网络分享相同的对象库、对象<