摘 要: 本文介紹了一種實時以太網控制協議，該協議能夠保證實時信號的發送有確定的最大時延，而且它與現有的以太網介質訪問控制協議兼容.分析了協議的工作原理，證明該協議是可行的有效的。

關鍵詞: 工業以太網;實時;控制協議

1 引言

　　現場總線技術把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，世界各大公司開發了各種各樣的現場總線，號稱開放的現場總線也有40多種，現場總線的國際標準IEC 61158也包含了8種之多，形成了多種現場總線并存的局面。但是，這些現場總線之間不能實現互操作，現場總線技術也不能為企業提供從現場控制層到管理層的全面信息集成，而且現場總線較低的通信速率也不能滿足工業控制越來越多的數據交換的需要。世界各大廠商開始尋找其它途徑，目前在信息網絡中廣泛應用的以太網已成為新的目標。

　　Ethernet具有成本低、穩定、可靠、應用廣泛和共享資源豐富等優點，因此迅速發展起來，使其成為最受歡迎的通信網絡之一，不僅壟斷了辦公自動化領域的網絡通信，而且在工業控制領域管理層和控制層等中上層的網絡通信中也得到了廣泛應用，并直接向下延伸應用于工業現場設備層通信。

2 工業控制網絡的實時性要求

　　以太網被認為是幾乎所有網絡相關自動化問題的有效解決方案—設備層通信、控制、高速數據傳輸等，但將之用于工業控制則要認真考慮其互操作性和安全性。這是因為以太網技術自身只提供了一系列的物理介質定義和一個共享的構架，構架包括物理介質、簡單的幀格式和LAN內設備數據包傳輸的尋址方案。依據開放式系統互聯7層參考模型，以太網僅提供了物理層和數據鏈路層協議。所以，所有以太網都可以支持在其之上的一種或多種上層協議，實現數據傳輸和網絡管理功能。上層協議決定了網絡支持的功能級、連接到網絡的設備和網絡中設備實現互操作。

　　Internet采用了TCP/ IP作為網絡層和傳輸層協議，它提供了設備間交換數據的一套服務。但是，TCP/ IP并不能保證設備間有效的通信，只能提供信息的傳送。因此，在工業設備間的通信必須采用通用的應用層協議。這種通用的應用層協議采用在普通應用層上的TCP/ IP封裝，使工業設備節點在以太網信息里將數據封裝起來，然后該節點將帶有TCP/ IP的信息發送到以太網的數據鏈路層。這個標準的應用層使工業自動化和控制設備的互操作性和互換性成為可能。

　　實際上，在控制系統中存在著兩種信息：實時I/O數據（（I/ O message）和用于組態、參數設置、診斷等的顯式信息（Explicit Message）。前者不包含任何協議信息，只含有要求快速傳送的I/O實時數據。它的特點是要求采用短幀結構、協議額外開銷少、執行實時傳送，因此要采用UDP/ I P（ User Datagram Protocol/ Internet Protocol）協議。而后者的數據包含了協議信息和執行服務的指令，節點要翻譯該信息的內容、執行規定的任務并產生應答信號，因此采用TCP/ IP協議。以UDP/ IP和TCP/ IP分別封裝I/O信息和顯式信息，可以保證提供不同網絡性能要求的數據通信服務，還使工業自動化和控制設備具有互操作性和互換性。

3 實時以太網介質訪問控制協議技術

　　3.1傳統以太網介質訪問控制協議

　　以太網提供波特率為10 Mbps或100 Mbps的快速、高效的傳輸。但是，在一個繁忙的環境中，以太網并不能為節點提供固定的網絡訪問時間。相反的，它用一種稱之為帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取（CSMA/ CD）的判優算法。使用CSMA/ CD，每個節點會在發送數據前偵聽網路。如果節點發現網路有空，它就開始傳輸。否則，它就等到網路空閑為止。大多數時候，網路偵聽可以保證消除沖突。以太網的速度足以使節點等待網絡空閑，而浪費的時間僅僅造成一個很小且有上限的延遲。然而，有這樣一種可能，2個節點同時等待一個傳輸的結束。在這種情況下，他們會同時偵聽到一個空閑的網路并且同時開始傳輸。這就會造成一個沖突，所以兩個節點必須通過調停來決定網路的訪問。

　　當節點探測到一個沖突，它就會回退，并等待2個時間間隔后在重試數據的發送。如果重發失敗，最大等待時間將會加倍，而節點將在一個隨機的時間端之后再次重發。這種算法會持續到網路空閑為止。在1個10 Mbps的網絡中，時間間隔為51 .2us 。在100 Mbps的網絡中，一個時間間隔僅為5 .12us 。但等待時間加倍的算法不會一直繼續，它將在10次后停止加倍，并在16次后顯示錯誤信號。這樣，這種指數形式的補償計算會造成不可預知的延遲。

　　3.2工業以太網實時通信分析

　　為了檢測到信道上的沖突，首先給出最小競爭時隙的概念，定義網絡上相距最遠的2個節點的信號傳播時延的2倍為最小競爭時隙.如果1個節點開始傳輸后，在一個最小競爭時隙內沒有檢測到沖突，該節點獲得了信道的訪問控制權.系統中，非實時節點遵循標準CSM A/CD協議，而實時節點遵循實時以太網介質訪問控制協議（RT-CSM A/CD），該協議的基本思想是:有實時數據要發送時，首先偵聽信道，如果信道空閑，實時節點開始發送.發送后如果檢測到沖突，實時節點并不像非實時節點一樣停止傳輸，而堅持發送競爭信號，競爭信號的長度不小于最小競爭時隙的長度.因為非實時節點遵循堅持CSM A/CD協議，檢測到沖突后都停止信號發送，在實時節點發送完一個競爭信號之前，非實時節點都將退出競爭.剩下的實時節點按照優先級的大小決定是堅持發送競爭信號還是讓出信道給更高優先級的節點，優先級越高的節點堅持發送競爭信號的次數越多.當某個節點發送完一個競爭信號后，如果檢測到信道上的沖突已消失，說明其他的實時節點都已經退出競爭，該節點就取得信道的訪問控制權，停止傳輸競爭信號，重傳被破壞的數據幀。

　　設總線上相距最遠的2個節點的信號傳輸時延為τp，所有節點的數據幀等長，發送一幀所需要的時間為τ，檢測沖突后發出的阻塞信號時寬R，實時節點的競爭信號長度等于L.設幀間距時間間隔為TI，實時節點從取得信道到開始發送數據幀的時間間隔為T ‘I，要求T ‘I< TI .設信道上有n個實時節點.試想優先級最高的實時節點數據幀到達時所遇到的最壞情況:信道剛好被其他節點占用，實時節點必須等待信道空閑，等待時間是數據幀的發送時間T,信道空閑后再等待T i時間間隔，然后實時節點開始發送數據幀，但發生沖突，最大競爭次數為n，用于信道競爭的最大時延為

　　TI +2τp+R+nL+T ‘I

　　總的最大發送等待時延為

　　TI +2τp+R+nL+T ‘I+τ

　　是一個確定值，即該實時信號的發送有確定的最大時延.其他優先級的實時節點在保證高優先級的節點發送完成的情況下，也可相應計算出其最大發送時延.

4 實時通信協議在工業以太網中的應用

　　不同于以往的源/目的的通信模式，實時控制協議采用生產者/消費者（Producer/ Consumer）的通信模式（如圖3），允許網絡上的不同節點同時存取同一個源的數據。在生產者/消費者的模式中數據被分配一個唯一的標識，根據具體的標識，網絡上多個不同的節點可以接收到來自于同一個發送者的數據。其結果是，數據的傳輸更為經濟，每個數據源一次性地把數據發送到網絡上，其他節點選擇性地收取這些數據，不浪費帶寬，提高了系統的通信效率，因為不管有多少個節點需要接收這個數據，數據只需產生一次。數據經過同樣的時間傳送到不同的節點，可以實現通信的精確同步。

　　實時訪問控制協議作為一種開放的技術，同時受到Control Net和DeviceNet總線標準的支持。Control Net和DeviceNet是先進的現場總線協議，分別由CI（ Control Net International）和ODVA兩個組織來管理技術和推廣，在世界上受到700多個大廠商的響應。實時訪問控制協議支持 IEEE 802 .3物理層和鏈路層標準、 TCP/ IP協議簇（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）以及以太網的工業標準還有控制與信息協議CIP（ Control and Information Protocol），這個協議提供了I/O實時信息的交換。

　　實時訪問控制協議與ControlNet .DeviceNet最大的共同點是具有相同的應用層通信協議，共享設備行規和對象庫。這些對象庫可支持不同廠商的各類產品間的即插即用的互操作性和互換性。

　　實時控制協議解決了以太網上的設備間的互操作性和互換性。在此之前，各大設備制造廠商在以太網上采用了各自獨立的應用層協議（如Profibus和Modbusover Ethernet）。雖然它們后來也提供了網關的解決方案，但不提供到應用層的無縫連接，同時增加了硬件和系統組態的開銷。工業以太網實時協議則采用了開放的應用層，通過一致性的檢測來保證不同廠商的設備間的互操作性和互換性，即它可以提供到Control Net和DeviceNet的應用層的無縫連接。

5 結束語

　　改善以太網在工業控制應用中的實時能力除了采用實時訪問控制協議，還要采用其他的方法。首先，限制以太網通信負載的大小，使其處于輕載狀態。采用盡量少的節點數目可以有效地降低延遲。其次，采用快速以太網和交換式以太網來取代傳統的共享式以太網。此外，還有通過雙工通信技術、流量控制、虛擬局域網（VLAN）、自動負載平衡、自動協商等新技術。

　　以太網上層增加實時通信協議，在避免了改變以太網結構的情況下，提高了整個通信模型的通信確定性和實時性問題，為將廉價的商用以太網引入工業控制網絡提供了一種簡單易行的途徑。隨著以太網性能的進一步提高，加上高速以太網和交換式以太網的普及，以太網技術將更加廣泛地應用于工廠底層控制網絡。

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