久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

1  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實時性要求

    人們知道，用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來源于IT信息技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是又不同于一般的計算機網(wǎng)絡(luò)通信，這是因為IT網(wǎng)絡(luò)通信是以傳遞信息為最終目的，而工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)傳遞信息是以引起物質(zhì)或能量的運動為最終目標(biāo)。所以，用于測量和控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點是：允許對事件進行實時響應(yīng)的事件驅(qū)動通信；很高的可用性；很高的數(shù)據(jù)完整性；在有電磁干擾和地電位差的情況下能正常工作；以及使用工廠內(nèi)專用的傳輸線等。其中，最主要的要求是網(wǎng)絡(luò)通信的高實時性。實時（real time）的含義是指數(shù)據(jù)處理就像發(fā)生在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時刻，其響應(yīng)沒有大的延時。
    對于工業(yè)自動化系統(tǒng)來說，目前根據(jù)不同的應(yīng)用場合，將實進性要求劃分為三個范圍，它們是：信息集成和較低要求的過程自動化應(yīng)用場合，實時響應(yīng)時間要求是100ms或更長；絕大多數(shù)的工廠自動化應(yīng)用場合實時響應(yīng)時間的要求最少為5～10ms；對于高性能的同步運動控制應(yīng)用，特別是在100個節(jié)點下的伺服運動控制應(yīng)用場合，實時響應(yīng)時間要求低于1ms，同步傳送和抖動小于1μs。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實時性還規(guī)定了許多技術(shù)指標(biāo)，如交付時間、吞吐量、時間同步、時間同步精度、以及冗余恢復(fù)時間等。對于這些性能指標(biāo)都有詳細的規(guī)定，如我國制定的“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信標(biāo)準(zhǔn)”的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的時間同步精度為8個等級，即：0―無精度要求;1―時間同步精度<1s;2―時間同步精度<100ms;3―時間同步精度<10ms;4―時間同步精度<1ms;5―時間同步精度<100μs;6―時間同步精度<10μs;7―時間同步精度<1μs。

2  工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)

    長期以來，由于現(xiàn)場總線爭議不休，互通與互操作問題很難解決，于是現(xiàn)場總線開始轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)。經(jīng)過近幾年的努力，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受。眾所周知Ethernet網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)于1975年，并于1982年制定成為IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的第一版本。1990年2月該標(biāo)準(zhǔn)正式成為ISO/IEC 8802.3國際標(biāo)準(zhǔn)。在這期間，Ethernet從最初10Mbps以太網(wǎng)，過渡到100Mbps快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，直至發(fā)展到今天的光纖以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)。可以說，開放的Ethernet是三十年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是在與IEEE 802.4令牌總線局域網(wǎng)和IEEE 802.5令牌環(huán)局域網(wǎng)兩個對手的競爭中脫穎而出的，并導(dǎo)致了一場信息技術(shù)的革命。Ethernet網(wǎng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用有力地推動了高技術(shù)芯片和系統(tǒng)開發(fā)，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能和降低了系統(tǒng)成本。因而，Ethernet每年在世界上的安裝量超過上億個節(jié)點。
    通常，人們習(xí)慣上將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。但是，如果仔細劃分，按照國際電工委員會SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動化環(huán)境，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，按照IEEE 802.1D“媒體訪問控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE 802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范，對其沒有進行任何實時擴展（extension）而實現(xiàn)的以太網(wǎng)。通過采用減輕以太網(wǎng)負荷、提高網(wǎng)絡(luò)速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息級和流量控制及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，到目前為止可以將工業(yè)以太網(wǎng)的實時響應(yīng)時間做到5～10ms，相當(dāng)于現(xiàn)有的現(xiàn)場總線。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)是兼容的。
    對于響應(yīng)時間小于5ms的應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)已不能勝任，為了滿足高實時性能應(yīng)用的需要，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案。這些方案建立在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過對其和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實時擴展提高實時性，并且做到與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的無縫連接，這就是實時以太網(wǎng)（Real Time Ethernet，簡稱RTE）。為了規(guī)范這部分工作的行為，2003年5月，IEC/SC65C專門成立了WG11實時以太網(wǎng)工作組，該工作組負責(zé)制定 IEC 61784-2“基于ISO/IEC 8802.3的實時應(yīng)用系統(tǒng)中工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)行規(guī)”國際標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中包括：Communication Profile Family 2 Ethernet/IP;CPF 3 PROFINET;CPF4 P-NET;CPF6 Interbus;CPF10 VNET/IP;CPF11 TCNET;CPF12 EtherCAT;CPF13 Ethernet Powerlink;CPF14 EPA(中國);CPF15 MODBUS/TCP和CPF16SERCOS等11種實時以太網(wǎng)行規(guī)集。其中，包括我國EPA實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的6個新增實時以太網(wǎng)將以IEC PAS（Publicly Available Specification）公共可用規(guī)范予以發(fā)表。在上述實時以太網(wǎng)技術(shù)中，將有六個主要的競爭者：EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP。

3  六種主要實時以太網(wǎng)通信協(xié)議分析

  根據(jù)實時以太網(wǎng)實時擴展的不同技術(shù)方案，可將實時以太網(wǎng)通信協(xié)議模型分為4類，如圖1所示。

圖1  實時以太網(wǎng)按實時擴展方案分類

    圖1中的①是經(jīng)過常規(guī)最大努力提高實時性，一般工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議模型；②是采用在TCP/IP之上進行實時數(shù)據(jù)交換方案；③是采用經(jīng)優(yōu)化處理和提供旁路實時通道的通信協(xié)議模型；④是采用集中調(diào)度提高實時性的解決方案；⑤是采用類似Interbus現(xiàn)場總線“集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓撲結(jié)構(gòu)提升以太網(wǎng)實時性能。圖1中同時給出了六種實時以太網(wǎng)技術(shù)方案的歸類情況。由于實時以太網(wǎng)技術(shù)涉及很多方面，限于篇幅，這里僅對通信協(xié)議做簡要論述與分析。
3.1  EPA實時以太網(wǎng)
    EPA（Ethernet for Plant Automation）用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽自動化所、重慶郵電學(xué)院、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位聯(lián)合成立的標(biāo)準(zhǔn)起草工作組起草。
    EPA網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由兩級網(wǎng)絡(luò)組成，即過程監(jiān)控級L2網(wǎng)和現(xiàn)場設(shè)備級L1網(wǎng)。

圖2  EPA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)

    現(xiàn)場設(shè)備級L1網(wǎng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種現(xiàn)場設(shè)備（如變送器、執(zhí)行機構(gòu)和分析儀器等）之間以及現(xiàn)場設(shè)備與L2網(wǎng)的連接；過程監(jiān)控級L2網(wǎng)主要用于控制室儀表、裝置以及人機接口之間的連接。無論是L1網(wǎng)還是L2網(wǎng)，均可分為一個或幾個微網(wǎng)段。
    在EPA系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域即為一個微網(wǎng)段。每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其它網(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)進行，而不會占用其它網(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。
    為了提高網(wǎng)絡(luò)的實時性能，EPA對ISO/IEC 8802.3協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進行了擴展，在其之上增加了一個EPA通信調(diào)度管理實體（Communication Scheduling Management Entity，簡稱EPA-CSME）。EPA-CSME不改變IEC 8802.3數(shù)據(jù)鏈路層提供給DLS-User的服務(wù)，也不改變與物理層的接口，只是完成對數(shù)據(jù)報文的調(diào)度管理。該數(shù)據(jù)鏈路層模型如圖3所示。

圖3  EPA數(shù)據(jù)鏈路層模型

    EPA-CSME通信調(diào)度管理實體支持：完全基于CSMA/CD的自由競爭的通信調(diào)度和基于分時發(fā)送的確定性通信調(diào)度。對于第一種通信調(diào)度，EPA-CSME直接傳輸DLE與DLS-User之間交互的數(shù)據(jù)，而不作任何緩存和處理。對于第二種通信調(diào)度，每個EPA設(shè)備中的EPA-CSME將DLS-Use DATA根據(jù)事先組態(tài)好的控制時序和優(yōu)先級大小，傳送給DLE，由DLE處理后通過PhLE發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，以避免兩個設(shè)備在同一時刻向網(wǎng)絡(luò)上同時發(fā)送數(shù)據(jù)，避免報文碰撞。下面介紹EPA通信調(diào)度的具體規(guī)程。
    在一個EPA微網(wǎng)段內(nèi)，所有EPA設(shè)備的通信均按周期進行，完成一個通信周期所需的時間T稱為一個通信宏周期。通信宏周期T分為兩個階段，第一個階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn，如圖4所示。

圖4  EPA通信調(diào)度示意圖

    在周期報文傳輸階段Tp，每個EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)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(guān)的數(shù)據(jù)，如需要按控制回路的控制周期傳輸?shù)臏y量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數(shù)據(jù)。周期報文的發(fā)送優(yōu)先級應(yīng)為最高。
    在非周期報文傳輸階段Tn，每個EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)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、趨勢報告等數(shù)據(jù)，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP、IGMP等應(yīng)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實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義了基于ISO/IEC 8802.3、RFC 791、RFC 768和RFC 793等協(xié)議的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、應(yīng)用層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范，以及基于XML的設(shè)備描述規(guī)范。該規(guī)范面向控制工程師的應(yīng)用實際，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應(yīng)用實踐，形成了微網(wǎng)段化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、確定性通信調(diào)度、總線供電、分層網(wǎng)絡(luò)安全控制策略、冗余管理、三級式鏈路訪問關(guān)系、基于XML的設(shè)備描述語言等方面的特色，并擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。目前，EPA已有多種產(chǎn)品，包括基于EPA的變送器、執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器、數(shù)據(jù)采集器、遠程分散控制站、無紙記錄儀等產(chǎn)品，基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已在化工廠得到成功應(yīng)用。
3.2  Ethernet/IP實時以太網(wǎng)
    Ethernet/IP實時以太網(wǎng)技術(shù)由ControlNet國際組織CI、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA和開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會ODVA等共同開發(fā)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
    Ethernet/IP實時擴展成功之處在于TCP/IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），在應(yīng)用層進行實進數(shù)據(jù)交換和運行實時應(yīng)用，其通信協(xié)議模型如圖5所示。

圖5  Ethernet/IP通信協(xié)議模型

    CIP的控制部分用于實時I/O報文或隱形報文。CIP的信息部分用于報文交換，也稱作顯性報文。ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP都使用該協(xié)議通信，三種網(wǎng)絡(luò)分享相同的對象庫，對象和裝置行規(guī)使得多個供應(yīng)商的裝置能在上述三種網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)即插即用。Ethernet/IP能夠用于處理多達每個包1 500個字節(jié)的大批量數(shù)據(jù)，它以可予報方式管理大批量數(shù)據(jù)。
    2003年ODVA組織將IEEE 1588精確時間同步協(xié)議用于Ethernet/IP，制定了CIPsync標(biāo)準(zhǔn)以進一步提高Ethernet/IP的實時性。該標(biāo)準(zhǔn)要求每秒鐘由主控制器廣播一個同步化信號到網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點，要求所有節(jié)點的同步精度準(zhǔn)確到微秒級。為此，芯片制造商增加一個“加速”線路到以太網(wǎng)芯片，從而將性能改善到500毫微秒的精度。由此可見，CIPsync是CIP的實時擴展。
3.3  Modbus-IDA實時以太網(wǎng)
    Modbus組織和IDA（Interface for Distributed Automation）集團都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互連網(wǎng)技術(shù)的分布式智能自動化系統(tǒng)，為了提高競爭力，2003年10月，兩個組織宣布合并，聯(lián)手開發(fā)Modbus-IDA實時以太網(wǎng)。

圖6  Modbus-IDA通信協(xié)議模型

    Modbus-IDA實時擴展的方案是為以太網(wǎng)建立一個新的實時通信應(yīng)用層，采用一種新的通信協(xié)議RTPS（Real-Time Publish/Subscribe）實現(xiàn)實時通信，該協(xié)議的實現(xiàn)則由一個中間件來完成。Modbus-IDA通信協(xié)議模型如圖6所示，該模型建立在面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上，這些對象可以通過API應(yīng)用程序接口被應(yīng)用層調(diào)用。通信協(xié)議同時提供實時服務(wù)和非實時服務(wù)。非實時通信基于TCP/IP協(xié)議，充分采用IT成熟技術(shù)，如基于網(wǎng)頁的診斷和配置（HTTP）、文件傳輸（FTP）、網(wǎng)絡(luò)管理（SNMP）、地址管理（BOOTP/DHCP）和郵件通知（SMTP）等；實時通信服務(wù)建立在RTPS實時發(fā)布者/預(yù)訂者模式和Modbus協(xié)議之上。RTPS協(xié)議及其應(yīng)用程序接口（API）由一個對各種設(shè)備都一致的中間件來實現(xiàn)，它采用美國RTI（Real-Time Innovations）公司的NDDS 3.0（Network Data Delivery Service）實時通信系統(tǒng)。RTPS建立在Pubilsh/Subscribe模式基礎(chǔ)上，并進行了擴展，增加了設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送截止時間、控制數(shù)據(jù)流速率和使用多址廣播等功能。它可以簡化為一個數(shù)據(jù)發(fā)送者和多個數(shù)據(jù)接收者之間通信編程的工作，極大地減輕網(wǎng)絡(luò)的負荷。RTPS構(gòu)建在UDP協(xié)議之上，Modbus協(xié)議構(gòu)建在TCP協(xié)議之上。
3.4  PROFINET實時工業(yè)以太網(wǎng)
    PROFINET實時工業(yè)以太網(wǎng)是由Profibus International（PI）組織提出的基于以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)。從2004年開始，PI與Interbus Club（Interbus總線俱樂部）聯(lián)手，負責(zé)合作開發(fā)與制定標(biāo)準(zhǔn)。PROFINET構(gòu)成從I/O級直至協(xié)調(diào)管理級的基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方案，PROFIBUS技術(shù)和INTERBUS現(xiàn)場總線技術(shù)可以在整個系統(tǒng)中無縫地集成。
    PROFINET已有三個版本，在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE 802.1D和IEEE 1588進行實時擴展的技術(shù)方案，并對不同實時要求的信息采用不同的實時通道技術(shù)。PROFINET通信協(xié)議模型如圖7所示。

圖7   PROFINET通信協(xié)議模型

    從圖7中可以看出，PROFINET提供一個標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類實時通信通道。標(biāo)準(zhǔn)通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道，主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。實時通道RT是軟實時SRT（Software RT）方案，主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號等。它旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。為優(yōu)化通信功能，PROFINET根據(jù)IEEE 802.1p定義了報文的優(yōu)先級，最多可用7級。實時通道IRT采用了IRT（Isochronous Real-Time）等時同步實時的ASIC芯片解決方案，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間，特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸、以及快速的時鐘同步運動控制應(yīng)用，在1ms時間周期內(nèi)，實現(xiàn)對100多個軸的控制，而抖動不足1μs。
3.5  Ethernet PowerLink實時以太網(wǎng)
    Ethernet PowerLink由奧地利B&R公司于2001年開發(fā)，并在2002年成立了EPSG（Ethernet PowerLink Standardigation  Group）組織。EPSG的戰(zhàn)略伙伴有CIA/CANOpen，這是設(shè)備級通信協(xié)議和行規(guī)的用戶集團以及IAONA工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)集團等。
    PowerLink協(xié)議對第3和第4層的TCP/UDP/IP棧進行了實時擴展。增加的基于TCP/IP的Async中間件用于異步數(shù)據(jù)傳輸，Isochron等時中間件用于快速、周期的數(shù)據(jù)傳輸。PowerLink通信協(xié)議模型如圖8所示。

圖8  PowerLink通信協(xié)議模型

    從圖8可看出， PowerLink棧控制著網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量。Ethernet PowerLink避免網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)沖突的方法是采用SCNM（Slot Communication Network Management）時間片通信網(wǎng)絡(luò)管理機制。SCNM能夠做到無沖突的數(shù)據(jù)傳輸，專用的時間片用于調(diào)度的等時同步傳送的實時數(shù)據(jù)；共享的時間片用于異步的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)上，只能指定一個站為管理站，它為所有網(wǎng)絡(luò)上的其它站建立一個配置表和分配的時間片，只有管理站能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它站只有在管理站授權(quán)下才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為此PowerLink需要采用基于IEEE 1588的時間同步。
3.6  EtherCAT實時以太網(wǎng)
    EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）由德國Beckhoff公司開發(fā)，并得到ETG（EtherCAT Technolgy Group）組織的支持。EtherCAT是一個可用于現(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡(luò)，它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，媒體可為雙絞線或光纖。
    Ethernet技術(shù)用于現(xiàn)場級的最大問題是通信效率低，用于傳送現(xiàn)場數(shù)據(jù)的Ethernet幀最短為84字節(jié)（包括分組間隙IPG）。按照理論計算值，以太網(wǎng)的通信效率僅為0.77%，Interbus現(xiàn)場總線的通信效率高達52%。于是，EtherCAT采用了類似Interbus技術(shù)的集總幀等時通信的原理，如圖9所示。EtherCAT開發(fā)了專用ASIC芯片F(xiàn)MMU（Fieldbus Memory Management Unit）用于I/O模塊， 這樣一來，EtherCAT可采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，并以特定的環(huán)狀拓樸發(fā)送數(shù)據(jù)，在FMMU現(xiàn)場總線存儲器管理單元的控制下，網(wǎng)絡(luò)上的每個站（或I/O單元）均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關(guān)的數(shù)據(jù)，或者插入該站要輸出的數(shù)據(jù)。EtherCAT還通過內(nèi)部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實時以太網(wǎng)幀比其它數(shù)據(jù)幀有較高的優(yōu)先級。組態(tài)數(shù)據(jù)只在實時數(shù)據(jù)的傳輸間隙期間傳送或通過專用通道傳送。EtherCAT采用IEEE 1588時間同步機制實現(xiàn)分布式時鐘精確同步。從而使EtherCAT可以在30μs內(nèi)處理1 000個開關(guān)量，或在50μs內(nèi)處理200個16位模擬量，其通信能力可以使100個伺服軸的控制、位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)在100μs內(nèi)更新。

圖9   EtherCAT集總幀等時通信

4  實時以太網(wǎng)技術(shù)將進一步延伸

4.1  實時以太網(wǎng)向傳統(tǒng)的運動控制領(lǐng)域延伸
    過去，運動控制領(lǐng)域一直使用由IGS集團開發(fā)的專用現(xiàn)場總線SERCOS（Serial Real-time Communication System）接口。近來，由于實時擴展技術(shù)的突破，實時以太網(wǎng)已延伸至運動控制領(lǐng)域，從而成為能覆蓋整個工業(yè)自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與此同時，SERCOS串行實時通信系統(tǒng)也將發(fā)展為SERCOS-Ⅲ第三代串行實時通信系統(tǒng)，成為SERCOS實時以太網(wǎng)。由于SERCOS-Ⅲ采用TDMA（Time Divison Multiplex Access）時間片通信機制，所以SERCOS-Ⅲ實時以太網(wǎng)的實時性在運動控制領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先水平。
4.2  實時以太網(wǎng)通過無線通信技術(shù)延伸
    近年來，大量商業(yè)領(lǐng)域的無線技術(shù)正在移植到工廠級應(yīng)用。無線應(yīng)用已經(jīng)成為工業(yè)以太網(wǎng)強有力的延伸手段。這是因為在一些條件苛刻的現(xiàn)場會有無法布線的區(qū)域，另外在高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備和工業(yè)機器人等應(yīng)用中無法使用有線網(wǎng)絡(luò)，還有一些現(xiàn)場使用無線方案反而可以節(jié)省時間、材料及人工。目前，無線方案基于三個無線協(xié)議，它們是：IEEE 802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)使用CSMA/CA載波偵聽多路訪問/沖突防止技術(shù)，工作于2.4GHz頻段，其物理層有跳頻擴展頻譜（FHSS）方式和直接序列擴展頻譜（DSSS）方式；IEEE 802.15.1藍牙協(xié)議，它采用高速跳頻、短分組及快速確認方式，其載頻選用2.45GHz ISM頻帶；以及IEEE 802.15.4 Zigbee技術(shù)，它是一種近距離、低功耗、低速和低成本的雙向無線技術(shù)，物理層基于DSSS方式，工作于2.4GHz和868/915MHz頻帶。我國EPA實時以太網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)包括了上述前兩種無線通信。
    在EPA標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定通過一個局域網(wǎng)接入點（AP）將IEEE 802.11局域網(wǎng)與EPA網(wǎng)絡(luò)相連；同時規(guī)定，在RFCOMM上采用PPP的局域網(wǎng)接入方式，將藍牙無線設(shè)備與EPA網(wǎng)連接。
4.3  “e網(wǎng)到底”的三個技術(shù)方案
    長期以來，有一種意見一直認為以太網(wǎng)不可能進入控制系統(tǒng)現(xiàn)場級，理由是以太網(wǎng)在技術(shù)上存在實時性、通信效率、總線供電和本質(zhì)安全等障礙。現(xiàn)在看來，上述前三個問題已經(jīng)很好解決，本質(zhì)安全技術(shù)也將于2006年完成開發(fā)工作，所以Ethernet還將繼續(xù)向下延伸。
(1)  EtherCAT實時以太網(wǎng)使用的方案
    以太網(wǎng)技術(shù)最近的一個新進展是向機箱級的“背板總線”延伸。EtherCAT利用這一技術(shù)開發(fā)了用于現(xiàn)場控制柜的E-bus，I/O機箱的第一個模塊使用總線耦合器，該耦合器將標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線或光纜電氣信號轉(zhuǎn)換為E-bus信號，I/O模塊之間信息通過E-bus傳送。E-bus是基于LVDS（Low Voltage Differential Signal）信號傳輸，傳送距離為10米。這樣一來，以太網(wǎng)幀可以不受影響地傳送到I/O輸入的端口，從某種意義上講，以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場設(shè)備級。
(2)  美國IEEE 1451技術(shù)方案
    IEEE 1451《用于傳感器和執(zhí)行器的智能轉(zhuǎn)換器接口》標(biāo)準(zhǔn)，它在控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器之間定義一個標(biāo)準(zhǔn)接口，通過一種稱作管道的簡單傳遞機構(gòu)，使用Ethernet傳送他們的報文，這種方法簡單可行，現(xiàn)場裝置保持不變，只需一個專用ASIC的Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口取代原來的驅(qū)動器就可以完成與以太網(wǎng)的連接，從而使用網(wǎng)絡(luò)傳感器成為工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)場級的數(shù)字傳感器。
(3)  EPA實時以太網(wǎng)采用的方案
    從圖2中可以看出，EPA由過程監(jiān)控級網(wǎng)和現(xiàn)場設(shè)備級網(wǎng)構(gòu)成。現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)分置于控制現(xiàn)場，控制現(xiàn)場可劃分為若干個控制區(qū)域，各個控制區(qū)域內(nèi)相關(guān)的諸如變送器、執(zhí)行器和現(xiàn)場控制器等現(xiàn)場設(shè)備均通過EPA網(wǎng)絡(luò)連接在一起，按照組態(tài)，相互進行協(xié)調(diào)工作，從而完成一定的控制功能。
    每個控制區(qū)域內(nèi)的EPA子系統(tǒng)由EPA現(xiàn)場控制器、EPA-HUB、EPA變送器和EPA執(zhí)行器等組成，通過EPA現(xiàn)場設(shè)備通信模塊可實現(xiàn)相互之間的通信，并可獨立完成控制系統(tǒng)中某一部分的測量與控制功能。EPA現(xiàn)場設(shè)備通信模塊通過EPA現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)供電。目前，EPA正在研制用于現(xiàn)場設(shè)備通信模塊的專用ASIC芯片。
    在世界各國研發(fā)機構(gòu)的共同推動下，以太網(wǎng)技術(shù)獲得極其快速的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)正逐個被攻破，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的安裝應(yīng)用將被解決。隨著初期研發(fā)投資被消化以后，工業(yè)以太網(wǎng)相對于現(xiàn)場總線的性價比優(yōu)勢將逐漸凸現(xiàn)。人們相信，從現(xiàn)在開始，就將會出現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)迅速推廣應(yīng)用的局面。