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1、实时控制协议在工业以太网中的应用ronggang导语：本文介绍了一种实时以太网控制协议，该协议可以保证实时信号的发送有确定的最大时延，而且它与现有的以太网介质访问控制协议兼容.分析了协议的工作原理，证实该协议是可行的有效的摘要:本文介绍了一种实时以太网控制协议，该协议可以保证实时信号的发送有确定的最大时延，而且它与现有的以太网介质访问控制协议兼容.分析了协议的工作原理，证实该协议是可行的有效的。关键词:工业以太网;实时;控制协议现场总线技术把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，世界各大公司开发了各种各样的现场总线，号称开放的现场总线也有40多种，现场总线的国际标准IEC
2、61158也包含了8种之多，形成了多种现场总线并存的场面。但是，这些现场总线之间不能实现互操纵，现场总线技术也不能为企业提供从现场控制层到治理层的全面信息集成，而且现场总线较低的通讯速率也不能知足工业控制越来越多的数据交换的需要。世界各大厂商开场寻找其它途径，目前在信息网络中广泛应用的以太网已成为新的目的。Ethernet具有本钱低、稳定、可靠、应用广泛和分享资源丰富等优点，因此迅速开展起来，使其成为最受欢送的通讯网络之一，不仅垄断了办公自动化领域的网络通讯，而且在工业控制领域治理层和控制层等中上层的网络通讯中也得到了广泛应用，并直接向下延伸应用于工业现场设备层通讯。2工业控制网络的实时性要求
3、以太网被以为是几乎所有网络相关自动化问题的有效解决方案设备层通讯、控制、高速数据传输等，但将之用于工业控制那么要认真考虑其互操纵性和平安性。这是由于以太网技术自身只提供了一系列的物理介质定义和一个分享的构架，构架包括物理介质、简单的帧格式和LAN内设备数据包传输的寻址方案。根据开放式系统互联7层参考模型，以太网仅提供了物理层和数据链路层协议。所以，所有以太网都可以支持在其之上的一种或者多种上层协议，实现数据传输和网络治理功能。上层协议决定了网络支持的功能级、连接到网络的设备和网络中设备实现互操纵。align=center图1OSI7层模型示意图/alignInternet采用了TCP/IP作为
4、网络层和传输层协议，它提供了设备间交换数据的一套效劳。但是，TCP/IP并不能保证设备间有效的通讯，只能提供信息的传送。因此，在工业设备间的通讯必须采用通用的应用层协议。这种通用的应用层协议采用在普通应用层上的TCP/IP封装，使工业设备节点在以太网信息里将数据封装起来，然后该节点将带有TCP/IP的信息发送到以太网的数据链路层。这个标准的应用层使工业自动化和控制设备的互操纵性和互换性成为可能。实际上，在控制系统中存在着两种信息：实时I/O数据I/Omessage和用于组态、参数设置、诊断等的显式信息ExplicitMessage。前者不包含任何协议信息，只含有要求快速传送的I/O实时数据。它
5、的特点是要求采用短帧构造、协议额外开销少、执行实时传送，因此要采用UDP/IPUserDatagramProtocol/InternetProtocol协议。而后者的数据包含了协议信息和执行效劳的指令，节点要翻译该信息的内容、执行规定的任务并产生应答信号，因此采用TCP/IP协议。以UDP/IP和TCP/IP分别封装I/O信息和显式信息，可以保证提供不同网络性能要求的数据通讯效劳，还使工业自动化和控制设备具有互操纵性和互换性。align=center图2基于以太网的实时通讯层次模型/align3实时以太网介质访问控制协议技术3.1传统以太网介质访问控制协议以太网提供波特率为10Mbps或者10
6、0Mbps的快速、高效的传输。但是，在一个繁忙的环境中，以太网并不能为节点提供固定的网络访问时间。相反的，它用一种称之为带有冲突检测的载波侦听多路存取CSMA/CD的判优算法。使用CSMA/CD，每个节点会在发送数据前侦听网路。假如节点发现网路有空，它就开场传输。否那么，它就等到网路空闲为止。大多数时候，网路侦听可以保证消除冲突。以太网的速度足以使节点等待网络空闲，而浪费的时间仅仅造成一个很小且有上限的延迟。然而，有这样一种可能，2个节点同时等待一个传输的完毕。在这种情况下，他们会同时侦听到一个空闲的网路并且同时开场传输。这就会造成一个冲突，所以两个节点必须通过调停来决定网路的访问。当节点探测
7、到一个冲突，它就会回退，并等待2个时间间隔后在重试数据的发送。假如重发失败，最大等待时间将会加倍，而节点将在一个随机的时间端之后再次重发。这种算法会持续到网路空闲为止。在1个10Mbps的网络中，时间间隔为51.2us。在100Mbps的网络中，一个时间间隔仅为5.12us。但等待时间加倍的算法不会一直继续，它将在10次后停顿加倍，并在16次后显示错误信号。这样，这种指数形式的补偿计算会造成不可预知的延迟。3.2工业以太网实时通讯分析为了检测到信道上的冲突，首先给出最小竞争时隙的概念，定义网络上相距最远的2个节点的信号传播时延的2倍为最小竞争时隙.假如1个节点开场传输后，在一个最小竞争时隙内没
8、有检测到冲突，该节点获得了信道的访问控制权.系统中，非实时节点遵循标准CSMA/CD协议，而实时节点遵循实时以太网介质访问控制协议RT-CSMA/CD，该协议的根本思想是:有实时数据要发送时，首先侦听信道，假如信道空闲，实时节点开场发送.发送后假如检测到冲突，实时节点并不像非实时节点一样停顿传输，而坚持发送竞争信号，竞争信号的长度不小于最小竞争时隙的长度.由于非实时节点遵循坚持CSMA/CD协议，检测到冲突后都停顿信号发送，在实时节点发送完一个竞争信号之前，非实时节点都将退出竞争.剩下的实时节点按照优先级的大小决定是坚持发送竞争信号还是让出信道给更高优先级的节点，优先级越高的节点坚持发送竞争信
9、号的次数越多.当某个节点发送完一个竞争信号后，假如检测到信道上的冲突已消失，讲明其他的实时节点都已经退出竞争，该节点就获得信道的访问控制权，停顿传输竞争信号，重传被破坏的数据帧。设总线上相距最远的2个节点的信号传输时延为p，所有节点的数据帧等长，发送一帧所需要的时间为，检测冲突后发出的阻塞信号时宽R，实时节点的竞争信号长度即是L.设帧间距时间间隔为TI，实时节点从获得信道到开场发送数据帧的时间间隔为TI，要求TI4实时通讯协议在工业以太网中的应用不同于以往的源/目的的通讯形式，实时控制协议采用消费者/消费者Producer/Consumer的通讯形式如图3，允许网络上的不同节点同时存取同一个源
10、的数据。在消费者/消费者的形式中数据被分配一个唯一的标识，根据详细的标识，网络上多个不同的节点可以接收到来自于同一个发送者的数据。其结果是，数据的传输更为经济，每个数据源一次性地把数据发送到网络上，其他节点选择性地收取这些数据，不浪费带宽，进步了系统的通讯效率，由于不管有多少个节点需要接收这个数据，数据只需产生一次。数据经过同样的时间传送到不同的节点，可以实现通讯的准确同步。align=center图3消费者/消费者通讯模型/align实时访问控制协议作为一种开放的技术，同时受到ControlNet和DeviceNet总线标准的支持。ControlNet和DeviceNet是先进的现场总线协议
11、，分别由CIControlNetInternational和ODVA两个组织来治理技术和推广，在世界上受到700多个大厂商的响应。实时访问控制协议支持IEEE802.3物理层和链路层标准、TCP/IP协议簇TransmissionControlProtocol/InternetProtocol以及以太网的工业标准还有控制与信息协议CIPControlandInformationProtocol，这个协议提供了I/O实时信息的交换。实时访问控制协议与ControlNet.DeviceNet最大的共同点是具有一样的应用层通讯协议，分享设备行规和对象库。这些对象库可支持不同厂商的各类产品间的即插即用
12、的互操纵性和互换性。实时控制协议解决了以太网上的设备间的互操纵性和互换性。在此之前，各大设备制造厂商在以太网上采用了各自独立的应用层协议如Profibus和ModbusoverEthernet。固然它们后来也提供了网关的解决方案，但不提供到应用层的无缝连接，同时增加了硬件和系统组态的开销。工业以太网实时协议那么采用了开放的应用层，通过一致性的检测来保证不同厂商的设备间的互操纵性和互换性，即它可以提供到ControlNet和DeviceNet的应用层的无缝连接。5完毕语改善以太网在工业控制应用中的实时才能除了采用实时访问控制协议，还要采用其他的方法。首先，限制以太网通讯负载的大小，使其处于轻载状
13、态。采用尽量少的节点数目可以有效地降低延迟。其次，采用快速以太网和交换式以太网来取代传统的分享式以太网。此外，还有通过双工通讯技术、流量控制、虚拟局域网VLAN、自动负载平衡、自动协商等新技术。以太网上层增加实时通讯协议，在防止了改变以太网构造的情况下，进步了整个通讯模型的通讯确定性和实时性问题，为将廉价的商用以太网引入工业控制网络提供了一种简单易行的途径。随着以太网性能的进一步进步，加上高速以太网和交换式以太网的普及，以太网技术将更加广泛地应用于工厂底层控制网络。参考文献：1VenkatramaniC,ChiuehT.Supportingreal-timetrafficonEthernetA.In:ProceddingsoftheIEEEReal-TimeSystemsSymposiwnRTSS942GerardoPC.Thereal-timepublish-subscribemiddlewareA.The18thIEEEReal-TimeSystSymp,SanFrancisco,1997.3沈钢，许晓鸣.新型工业以太网介质访问控制协议.上海交通大学学报,20024:36-4