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自动化联盟 - 工业以太网论坛

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    提高以太网实用性的方法

    xixixi 2014-12-09 15:59

      随着相关技术的发展,以太网的发展也取得了本质的飞跃,再借助于相关技术,可以从总体上提高以太网应用于工业控制中的实用性。

      1、采用交换技术

      传统以太网采用共享式集线器,其结构和功能仅仅是一种多端口物理层中继器,连接到共享式集线器上的所有站点共享一个带宽,遵循CSMA/CD协议进行发送和接收数据。而交换式集线器可以认为是一个受控的多端口开关矩阵,各个端口之间的信息流是隔离的,在源端和交换设备的目标端之间提供了一个直接快速的点到点连接。不同端口可以形成多个数据通道,端口之间的数据输入和输出不再受CSMA/CD的约束。随着现代交换机技术的发展,交换机端口内部之间的传输速率比整个设备层以太网端口间的传输速率之和还要大,因而减少以太网的冲突率,并为冲突数据提供缓存。当然交换机的工作方式必须是存储转发方式,这样在系统中只有点对点的连接,不会出现碰撞。多个交换把整个以太网分解成许多独立的区域,以太网的数据冲突只在各自的冲突域里存在,不同域之间没有冲突,可以大大提高网络上每个站点的带宽,从而提高了交换式以太网的网络性能和确定性。

      交换式以太网没有更改原有的以太网协议,可直接使用普通的以太网卡,大大降低了组网的成本,并从根本上解决了以太网通信传输延迟存在不确定性的问题。研究表明,通信负荷在10%以下时,以太网因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。在工业控制网络中,传输的信息多为周期性测量和控制数据,报文小,信息量少,传输的信息长度较小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小,通常仅为几位到几十个字节,对网络传输的吞吐量要求不高。研究表明,在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中,通信负荷为10M以太网的5%左右,即使有操作员信息传输(如设定值的改变,用户应用程序的下载等),10M以太网的负荷也完全可以保持在10%以下。

      2、采用高速以太网

      随着网络技术的迅速发展,先后产生了高速以太网(100M)和千兆以太网产品和国际标准,10G以太网产品也已经面世。通过提高通信速度,结合交换技术,可以大大提高通信网络的整体性能。

      3、采用全双工通信模式

      交换式以太网中一个端口是一个冲突域,在半双工情况下仍不能同时发送和接收数据。如果采用全双工模式,同一条数据链路中两个站点可以在发送数据的同时接收数据,解决了这种情况下半双工存在的需要等待的问题,理论上可以使传输速率提高一倍。全双工通信技术可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上同时接收和发送报文帧,从而也不再受到CSMA/CD的约束,这样,任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞,冲突域也就不复存在。对于紧急事务信息,则可以根据IEEE802.3p&q,应用报文优先级技术,使优先级高的报文先进入排队系统先接受服务。通过这种优先级排序,使工业现场中的紧急事务信息能够及时成功地传送到中央控制系统,以便得到及时处理。

      4、采用虚拟局域网技术

      虚拟局域网(VLAN)的出现打破了传统网络的许多固有观念,使网络结构更灵活、方便。实际上,VLAN就是一个广播域,不受地理位置的限制,可以根据部门职能、对象组和应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机的每一个端口只能标记一个VLAN,同一个VLAN中的所有站点拥有一个广播域,不同VLAN之间广播信息是相互隔离的,这样就避免了广播风暴的产生。工业过程控制中控制层单元在数据传输实时性和安全性方面都要与普通单元区分开来,使用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上做逻辑分割,将不同的功能层、不同的部门区分开,从而达到提高网络的整体安全性和简化网络管理的目的。通常虚拟局域网的划分方式有静态端口分配、动态虚拟网和多虚拟网端口配置三种。静态端口分配指的是网络管理人员利用网管软件或设备交换机的端口,使其直接从属某个虚拟网,这些端口将保持这样的从属性,除非网管人员重新设置;动态虚拟网指的是支持动态虚拟网的端口可以借助智能管理软件自动确定它们的从属;多虚拟网端口配置支持一个用户或一个端口同时访问多个虚拟网,这样可以将一台控制层计算机配置成多个部门可以同时访问,也可以同时访问多个虚拟网的资源。

      5、引入质量服务(QoS)

      IP QoS是指IP的服务质量(quality of service),亦即IP数据流通过网络时的性能,它的目的是向用户提供端到端的服务质量保证。QoS有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。QoS网络可以区分实时-非实时数据,在工业以太网中采用QoS技术,可以识别来自控制层的拥有较高优先级的数据,并对它们优先处理,在响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级等方面,使工业以太网满足工业自动化实时控制要求。另外,QoS网络还可以制止对网络的非法使用,譬如非法访问控制层现场控制单元和监控单元的终端等。

      此外,还出现了受大公司支持的工业以太网应用标准及相关协议的改进。将工业以太网引入底层网络,不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面上方便集成,更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本,以太网向底层网络的延伸是必然的,因此着名厂商纷纷支持工业以太网并制订了不同的工业应用标准。如 Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP,IP是指工业协议,它提供Producer/Consumer模型,将ControlNet和Devicenet的控制和信息协议的应用层移植到TCP。FF制定的高速以太网协议HSE提供了发布方/定购方、对象等模型,主要用于工程控制领域,受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。 由Schneider公司发布的Modbus/TCP协议将Modbus协议捆绑在TCP协议上,易于实施,能够实现互联。

      为了提高实时性,以太网协议也作了一些改进。一种完全基于软件的协议RETHER(Real Time Ethernet)可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性,它采用一种混合操作模式,能减少对网络中非实时数据传输性能的影响;非竞争的容许控制机制和有效的令牌传递方案能防止由于节点故障而引起的令牌丢失。遵守RETHER协议的网络以CSMA和RETHER两种模式运行。在实时对话期间,网络将透明地转换到RETHER模式,实时对话结束后又重新回到CSMA模式。还有一种以太网协议叫RTCC(Real Time Communication Control),为分布式实时应用提供了良好的基础。RTCC是加在Ethernet之上的一层协议,能提供高速、可靠、实时的通信。它不需要改变现有的硬件设备,采用命令/响应多路传输和总线表两种新颖的机制来分配信道。所有节点在RTCC协议中被分为总线控制器(BC)和远程终端(RT)两类,BC只有一个,其余都是RT。信息发送的发起和管理都由BC承担,访问仲裁过程和传输控制过程都是由BC来实现的,通过两个过程的集成与同步,不仅节点的发送时间是确定的,而且节点使用总线的时间也可控。在10Mbps以太网上的实验表明,RTCC有令人满意的确定性。第三种改进实时性的方法是流量平衡,即在UDP或TCP/IP与Ethernet MAC之间加一个流量平衡器。作为它们之间的接口,它被安装在每一个网络节点上。在本地节点,它给予实时数据包以优先权来消除实时信息与非实时信息的竞争,同时平衡非实时信息,以减少与其他节点实时信息之间的冲突。为了保证非实时信息的吞吐量,流量平衡器还能根据网络的负载情况调整数据流产生率。这种方法不需要对现有的标准Ethernet MAC协议和TCP或UDP/IP作任何改动。

      因此,针对以太网排队延迟的不确定性,通过采用适当的流量控制、交换技术、全双工通信技术、信息优先级等来提高实时性,并改进了容错技术、系统设计技术以及冗余结构,以太网完全能用于工业控制网络。事实上,20世纪90年代中后期,国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网,推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器,以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。

      随着网络和信息技术的日趋成熟,在工业通信和自动化系统中采用以太网和TCP/IP协议作为最主要的通信接口和手段,向网络化、标准化、开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最广泛、成长最快的局域网技术,在工业自动化和过程控制领域得到了超乎寻常的发展。同时,基于IP的全程一体化寻址,为工业生产提供的标准、共享、高速的信息化通道解决方案,也必将对控制系统产生深远的影响。

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