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1、解决以太网协议实时性的几种方案摘要以太网技术以其低成本、高速、高稳定性和高可靠性的优点，正逐渐向工业现场控制领域发展，但是由于以太网技术在工业现场通信方面不能满足实时性的要求，因此就诞生了许多实时以太网技术的解决方案。本文主要介绍现今比较流行的几种实时以太网协议，以及它们如何在工业以太网的基础上对协议进行改进，以满足工业现场对实时通信的要求。 1 概述 在工业控制系统中，现场总线技术的发展使智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结果的通信控制网络相连，使工业控制系统向分散化、网络
2、化和智能化发展。但是由于各类现场总线标准之间的不可兼容性无法实现统一，阻碍了现场总线技术的发展。另一方面，以太网技术作为垄断办公自动化领域的通信技术，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高稳定性等诸多优势，得到了工控界越来越多的关注和认可。用以太网技术来实现从管理层到工业现场层的一致性通信，人们习惯上将应用到工业领域的以太网技术称为“工业以太网”。 工业数据通信网络与信息网络不同,工业数据通信不仅要解决信号的互通和设备的互连,而且需要解决信息的互通问题,即信息的互相识别、互相理解和互可操作。所
3、谓信号的互通,即两个需要互相通信的设备所采用的通信介质、信号类型、信号大小、信号的输入/输出匹配等参数，以及数据链路层协议符合同一标准,不同的设备能连接在同一网络上实现互连。如果仅仅实现设备互连,但没有统一的高层协议(如应用层协议),那么不同设备之间还是不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义,就不能实现信息互通,也就不可能实现开放系统之间的互可操作。互可操作性是指连接到同一网络上、不同厂家的设备之间，通过统一应用层协议进行通信与互用,性能类似的设备可以实现互换。这是工业数据通信网络区别于一般IT网
4、络的重要特点。 对工业控制来说，还有一个很重要的区别就是实时性。实时性的一个重要标志就是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先确定的。一个事件发生后，系统在一个可准确预见的时间范围内做出反应。反应速度由被控制过程来决定。对于高传动性的系统，实时性的要求就要更高了。 虽然以太网具有比现场总线高许多的传输速率，但是却不能保证实现控制设备间的实时通信。这主要是因为标准的以太网协议是以CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess／CollisionDetecti
5、on，载波*多路访问/冲突检测）技术为基础的，网络上的各工作站对总线进行“*”以确认总线是否空闲。如果空闲,它们就开始发送数据。如果两个工作站同时试图发送数据,冲突就产生了。在这种情况下,访问机制首先确保工作站停止传输数据，而后根据预定义的随机选择算法,工作站再次尝试发送数据。这个过程一直重复直至冲突消失。上述机制保证了数据的安全发送，可是从确定性行为的角度来看,这却是一个很大的障碍。它允许数据传输时间可被任意推迟，也就不能实现数据的实时通信。要想使以太网技术在不改变其现有标准的前提下更好地应用到
6、工控领域，就要找到一种解决方案来解决这个问题。 为此，各大公司开始研究基于以太网的通信的实时性问题，并各自提出了不同的解决方案。有些成果已得到了工业现场标准委员会的认可，并写入新的标准中。 下面就介绍几种解决方案，看他们是如何保证通信实时性的。 2 几种解决方案分析 2.1 EthernetPowerlink 这个方案是由奥地利贝加莱公司提出的EthernetPowerlink所采用的解决方法。EthernetPowerlink是以快速以太网为基础开发出来的实时工业以太网协议。贝加莱公司
7、的目标是在快速以太网的基础上，创建一个高速的、实时的、确定性的网络环境。利用高速循环数据交换，使抖动降到很小(小于1μs),同时在不影响循环通信的情况下处理非循环的数据。而且，I/O与驱动数据能够在相互之间以及与PCC系统间完成同步传输。因为是完全建立在标准快速以太网之上，所以EthernetPowerlink完全符合标准的拓扑结构和物理特性，且能够与IT技术无缝连接，传输速率为100Mbps，最小循环周期为200μs。使用带RJ45插头的标准双绞线电缆(超五类电缆)。网络拓扑支持星型、树型和菊花
8、链型结构，单个网段最多可以连接240个实时站点。由于有实时性的要求，因此不允许使用交换机，只能使用集线器作为连接设备。 2.1.1 EthernetPowerlink的报文帧格式 图1 Powerlink报文帧格式 报文帧格式采用了标准快速以太网的帧头、帧尾，如图1所示。在以太网帧头后面的是实际的Powerlink报文，包括服务标识（SID）、目标地址（DA）、源地址（SA）和数据(Data)。其中Length/Type字段的值>1 500,这是一个保留的EtherType，
