《实时以太网》PPT课件.ppt

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1、几种实时以太网简介,实时以太网技术中，有六个主要的竞争者：EPAEtherCATEthernet PowerLinkPROFINETMODBUS-IDAEthernet/IP,1、工业控制网络的实时性,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3 个范围，它们是：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，实时响应时间要求低于1ms，同步传送和抖动小于1s。工业控制网络的实时性还规定了许多技术指

2、标，如交付时间、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 系统结构与通信规范”国家标准中规定网络的时间同步精度分为8 个等级；即0 为无精度要求、1 为时间同步精度 1s、2 为时间同步精度100ms、3 为时间同步精度 10ms、4 为时间同步精度为时间同步精度 100s、6 为时间同步精度10s、7 为时间同步精度 1s。、,2、工业以太网与实时以太网,长期以来，由于现场总线争议不休，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。经过近几年的努力，以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。众所周

3、知Ethernet网络出现于1975年，并于1982年制定成为IEEE 802.3标准的第一版本。1990年2月该标准正式成为ISO/IEC 8802.3国际标准。在这期间，Ethernet从最初10Mbps以太网，过渡到100Mbps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是三十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IEEE 802.5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的革命。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

4、统成本。因而，Ethernet每年在世界上的安装量超过上亿个节点。,2、工业以太网与实时以太网,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SC65C的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符合IEEE 802.3标准，按照IEEE 802.1D“媒体访问控制（MAC）网桥”规范和IEEE 802.1Q“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、采用信息级和流量控制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51

5、0ms，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，上述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标准的基础上，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。IEEE1588-精确的时间同步协议,工业以太网与实时以太网,工业以太网与实时以太网,2003年5月，IEC/SC65C专门成立了WG11实时以太网工作组，该工作组负责制定 IEC 61784-2“基于ISO/IEC 8802.3的实时应用

6、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;CPF 3 PROFINET;CPF4 P-NET;CPF6 Interbus;CPF10 VNET/IP;CPF11 TCNET;CPF12 EtherCAT;CPF13 Ethernet Powerlink;CPF14 EPA(中国);CPF15 MODBUS/TCP和CPF16SERCOS等11种实时以太网行规集。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

7、共可用规范予以发表。,六种实时以太网EPA（Ethernet for Plant Automation）实时以太网：（我国自行开发的标准）Ethernet/IP实时以太网：（ControlNet国际组织CI、工业以太网协会IEA和开放的DeviceNet供应商协会ODVA等共同开发的工业网络标准）Modbus-IDA实时以太网：(Modbus组织和IDA集团合并、联手开发，致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的分布式智能自动化系统）ProfiNet实时以太网：(由Profibus International组织提出的基于以太网的自动化标准。它构成从I/O级直至协调管理

8、级的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案）Ethernet Powerlink实时以太网：(由奥地利B&R公司于2001年开发，并在2002年成立了EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)组织。战略伙伴有设备级通信协议和行规用户集团、工业自动化开放网络体系结构集团）EtherCAT实时以太网:（由德国Beckhoff公司开发，并得到ETG(EtherCAT Technology Group)组织支持。用于现场级的超高速I/O网络）,3、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

9、，如图1所示。,图1中的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；是采用在TCP/IP之上进行实时数据交换方案；是采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型；是采用集中调度提高实时性的解决方案；是采用类似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中同时给出了六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。,3.1 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

10、支持下，由浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位联合成立的标准起草工作组起草。EPA网络拓朴结构如图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网用于工业生产现场的各种现场设备（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。基于EPA的分布式网络控制系统已在化工厂得到成功应用。,3.2 Ethernet/IP实时以太网,Ethernet/IP实时以太网技术由ControlNet国际组织

11、CI、工业以太网协会IEA和开放的DeviceNet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），在应用层进行实进数据交换和运行实时应用，其通信协议模型如图5所示。,2003年开放DeviceNet厂商协会将IEEE 1588精确时间同步协议用于Ethernet/IP，制定了CIPsync标准以进一步提高Ethernet/IP的实时性。该标准要求每秒钟由主控制器广播一个同步化信号到网络上的各个节点，要求所有节点的同步精度准确到微秒级。为此，芯片制造商增加一个“加速”线路到

12、以太网芯片，从而将性能改善到500毫微秒的精度。由此可见，CIPsync是CIP的实时扩展。,3.3 Modbus-IDA实时以太网,Modbus组织和IDA（Interface for Distributed Automation）集团都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互连网技术的分布式智能自动化系统，为了提高竞争力，2003年10月，两个组织宣布合并，联手开发Modbus-IDA实时以太网。Modbus-IDA实时扩展的方案是为以太网建立一个新的实时通信应用层，采用一种新的通信协议RTPS（Real-Time Publish/Subscribe）实现实时通信，该协议的实

13、现则由一个中间件来完成。Modbus-IDA通信协议模型如图6所示，该模型建立在面向对象的基础上，这些对象可以通过API应用程序接口被应用层调用。通信协议同时提供实时服务和非实时服务。RTPS协议及其应用程序接口（API）由一个对各种设备都一致的中间件来实现，它采用美国RTI（Real-Time Innovations）公司的NDDS 3.0（Network Data Delivery Service）实时通信系统。,3.4 PROFINET实时工业以太网,PROFINET实时工业以太网是由Profibus International（PI）组织提出的基于以太网的自动化标准。从2004年开始，

14、PI与Interbus Club（Interbus总线俱乐部）联手，负责合作开发与制定标准。PROFINET构成从I/O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案，PROFIBUS技术和INTERBUS现场总线技术可以在整个系统中无缝地集成。PROFINET已有三个版本，在这些版本中，PROFINET提出了对IEEE 802.1D和IEEE 1588进行实时扩展的技术方案，并对不同实时要求的信息采用不同的实时通道技术。PROFINET通信协议模型如图7所示。,从图7中可以看出，PROFINET提供一个标准通信通道和两类实时通信通道。标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通信通道

15、，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。实时通道RT是软实时SRT（Software RT）方案，主要用于过程数据的高性能循环传输、事件控制的信号与报警信号等。它旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。为优化通信功能，PROFINET根据IEEE 802.1p定义了报文的优先级，最多可用7级。实时通道IRT采用了IRT（Isochronous Real-Time）等时同步实时的ASIC芯片解决方案，以进一步缩短通信栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输、以及快速的时钟同步运动控制应用，在1ms时间周期内，实现对100多个轴的控制，而抖动不足1s。,3.5 Etherne

16、t PowerLink实时以太网,Ethernet PowerLink由奥地利B&R公司于2001年开发，并在2002年成立了EPSG（Ethernet PowerLink Standardigation Group）组织。EPSG的战略伙伴有CIA/CANOpen，这是设备级通信协议和行规的用户集团以及IAONA工业自动化开放网络体系结构集团等。PowerLink协议对第3和第4层的TCP/UDP/IP栈进行了实时扩展。增加的基于TCP/IP的Async中间件用于异步数据传输，Isochron等时中间件用于快速、周期的数据传输。PowerLink通信协议模型如图8所示。,从图8可看出，Pow

17、erLink栈控制着网络上的数据流量。Ethernet PowerLink避免网络上数据冲突的方法是采用SCNM（Slot Communication Network Management）时间片通信网络管理机制。SCNM能够做到无冲突的数据传输，专用的时间片用于调度的等时同步传送的实时数据；共享的时间片用于异步的数据传输。在网络上，只能指定一个站为管理站，它为所有网络上的其它站建立一个配置表和分配的时间片，只有管理站能接收和发送数据，其它站只有在管理站授权下才能发送数据。为此PowerLink需要采用基于IEEE 1588的时间同步。,3.6 EtherCAT实时以太网,EtherCAT（E

18、thernet for Control Automation Technology）由德国Beckhoff公司开发，并得到ETG（EtherCAT Technolgy Group）组织的支持。EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，媒体可为双绞线或光纤。Ethernet技术用于现场级的最大问题是通信效率低，用于传送现场数据的Ethernet帧最短为84字节（包括分组间隙IPG）。按照理论计算值，以太网的通信效率仅为0.77%，Interbus现场总线的通信效率高达52%。,EtherCAT采用了类似Interbus技术的集总帧等时通信的原

19、理，如图9所示。EtherCAT开发了专用ASIC芯片FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）用于I/O模块，这样一来，EtherCAT可采用标准以太网帧，并以特定的环状拓朴发送数据，在FMMU现场总线存储器管理单元的控制下，网络上的每个站（或I/O单元）均从以太网帧上取走与该站有关的数据，或者插入该站要输出的数据。EtherCAT还通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其它数据帧有较高的优先级。组态数据只在实时数据的传输间隙期间传送或通过专用通道传送。EtherCAT采用IEEE 1588时间同步机制实现分布式时钟精确同步。从而使EtherCAT可以在30s内

20、处理1 000个开关量，或在50s内处理200个16位模拟量，其通信能力可以使100个伺服轴的控制、位置和状态数据在100s内更新。,4 实时以太网技术将进一步延伸,4.1 实时以太网向传统的运动控制领域延伸过去，运动控制领域一直使用由IGS集团开发的专用现场总线SERCOS（Serial Real-time Communication System）接口。近来，由于实时扩展技术的突破，实时以太网已延伸至运动控制领域，从而成为能覆盖整个工业自动化领域的网络技术。与此同时，SERCOS串行实时通信系统也将发展为SERCOS-第三代串行实时通信系统，成为SERCOS实时以太网。由于SERCOS-采

21、用TDMA（Time Divison Multiplex Access）时间片通信机制，所以SERCOS-实时以太网的实时性在运动控制领域仍处于领先水平。,4.2 实时以太网通过无线通信技术延伸,近年来，大量商业领域的无线技术正在移植到工厂级应用。无线应用已经成为工业以太网强有力的延伸手段。这是因为在一些条件苛刻的现场会有无法布线的区域，另外在高速旋转设备和工业机器人等应用中无法使用有线网络，还有一些现场使用无线方案反而可以节省时间、材料及人工。目前，无线方案基于三个无线协议，它们是：IEEE 802.11无线局域网协议，该标准使用CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突防止技术，工作于2.4GH

22、z频段，其物理层有跳频扩展频谱（FHSS）方式和直接序列扩展频谱（DSSS）方式；蓝牙协议，它采用高速跳频、短分组及快速确认方式，其载频选用2.45GHz ISM频带；以及IEEE 802.15.4 Zigbee技术，它是一种近距离、低功耗、低速和低成本的双向无线技术，物理层基于DSSS方式，工作于2.4GHz和868/915MHz频带。我国EPA实时以太网国家标准包括了上述前两种无线通信。在EPA标准中规定通过一个局域网接入点（AP）将IEEE 802.11局域网与EPA网络相连；同时规定，在RFCOMM上采用PPP的局域网接入方式，将蓝牙无线设备与EPA网连接。,4.3“e网到底”的三个技

23、术方案,长期以来，有一种意见一直认为以太网不可能进入控制系统现场级，理由是以太网在技术上存在实时性、通信效率、总线供电和本质安全等障碍。现在看来，上述前三个问题已经很好解决，本质安全技术也将于2006年完成开发工作，所以Ethernet还将继续向下延伸。,1)EtherCAT实时以太网使用的方案,以太网技术最近的一个新进展是向机箱级的“背板总线”延伸。EtherCAT利用这一技术开发了用于现场控制柜的E-bus，I/O机箱的第一个模块使用总线耦合器，该耦合器将标准的双绞线或光缆电气信号转换为E-bus信号，I/O模块之间信息通过E-bus传送。E-bus是基于LVDS（Low Voltage

24、Differential Signal）信号传输，传送距离为10米。这样一来，以太网帧可以不受影响地传送到I/O输入的端口，从某种意义上讲，以太网已经延伸到现场设备级。,2)美国IEEE 1451技术方案,IEEE 1451用于传感器和执行器的智能转换器接口标准，它在控制网络和传感器之间定义一个标准接口，通过一种称作管道的简单传递机构，使用Ethernet传送他们的报文，这种方法简单可行，现场装置保持不变，只需一个专用ASIC的Ethernet网络接口取代原来的驱动器就可以完成与以太网的连接，从而使用网络传感器成为工业以太网系统现场级的数字传感器。,3)EPA实时以太网采用的方案,EPA由过程

25、监控级网和现场设备级网构成。现场设备网分置于控制现场，控制现场可划分为若干个控制区域，各个控制区域内相关的诸如变送器、执行器和现场控制器等现场设备均通过EPA网络连接在一起，按照组态，相互进行协调工作，从而完成一定的控制功能。每个控制区域内的EPA子系统由EPA现场控制器、EPA-HUB、EPA变送器和EPA执行器等组成，通过EPA现场设备通信模块可实现相互之间的通信，并可独立完成控制系统中某一部分的测量与控制功能。EPA现场设备通信模块通过EPA现场设备网供电。目前，EPA正在研制用于现场设备通信模块的专用ASIC芯片。在世界各国研发机构的共同推动下，以太网技术获得极其快速的发展，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。人们相信，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。,