6GK1561-3AA01 CP5613 A3通讯处理器网卡

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1、以太网的主要缺陷 以太网 /news/1519.html


1.1 确定性
由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。

1.2 实时性
在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十ms内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。

1.3 可靠性
由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

2、以太网工业应用解决机制
针对以太网存在的三大缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，目前已采用多种方法来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。下面介绍几种解决机制：

2.1 交换技术
为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，可以使用以太网交换机(switch)。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提高系统的确定性，但该方法成本较高，在分配和缓冲过程中存在一定的延时。

2.2 高速以太网
我们知道当网络中的负载越大的时候，发生冲突的慨率也就越大。有资料显示当一个网络的负菏低于36%时，基本上不会发生冲突，在负荷为10%以下时，10M以太网冲突机率为每五年一次。100M以太网冲突机率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的慨率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已经出现通信速率达100M/S，1G/S的高速以太网，在加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。

2.3 IEEE1588对时机制
IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的***同步时钟的协议(PTP)。此协议并不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足要求。这使得它尤其适用于基于以太网的系统。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。在区域总线中它所达到的精度远远超过了现有各种系统。此外，在企业的各层次中使用基于以太网TCP/IP协议的网络技术有着巨大的优势。


一个包括IEEE1588对时机制的简单系统至少包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多个潜在的主时钟，那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。所有的时钟不断地与主时钟比较时钟属性，如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网络断开，则其他时钟会重新决定主时钟。如果多个PTP子系统需要互联，则必须由边界时钟来实现。边界时钟的某个端口会作为从属端口与子系统相联，并且为整个系统提供时钟标准。因此这个子系统的主时钟是整个系统的原主时钟。边界时钟的其他端口会作为主端口，通过边界时钟的这些端口将同步信息传送到子系统。边界时钟的端口对子系统来说是普通时钟。


IEEE1588所定义的***网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，现在已经有许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准，这样他们的产品之间也可以保证很好的同步性。

3、典型工业以太网
随着以太网技术的高速发展及它的80%的市场占有率和现场总线的明显缺陷，促使工控领域的各大厂商纷纷研发出适合自己工控产品且兼容性强的工业以太网。其中应用最为广泛的工业以太网之一是德国西门子公司研发的SIMATIC NET工业以太网。它提供了开放的，适用于工业环境下各种控制级别的不同的通信系统，这些通信系统均基于国家和国际标准，符合ISO/OSI网络参考模型。SIMATIC NET工业以太网主要体系结构是由网络硬件，网络部件，拓扑结构，通行处理器和SIMATIC NET软件等部分组成。


3.1根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通讯方式：
3.1.1 TCP/IP标准通讯
PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。


3.1.2 实时(RT)通讯
对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer2)的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯(RT)的典型响应时间是5-10ms。


网络节点也包含在网络的同步过程之中，即交换机。同步的的交换机在PROFINET概念中占有十分重要的位置，在传统的交换机中，要传递的信息必定在交换机中延迟一段时间，直到交换机翻译出信息的目的地址并转发该信息为止。这种基于地址的信息转发机制会对数据的传送时间产生不利的影响。为了解决这个问题，PROFINET在实时通道中使用一种优化的机制来实现信息的转发。


3.1.3 等时同步实时(IRT)通讯
在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制(MotionControl)，PROFINET的等时同步实时(IsochronousReal-Time,IRT)技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。
注：目前西门子工业以太网交换机都为实时(RT)通讯交换机，其中的200系列里面有一部分是等时同步(IRT)通讯交换机。


3.2 PROFINET的等时同步实时(IsochronousReal-Time,IRT)技术。
对于PROFINET网络，为了保证高质量的等时通讯，所有的网络节点必须很好的实现同步。这样才能保证数据在***相等的时间间隔内被传输，网络上的所有站点必须通过***的时钟同步以实现同步实时以太网。例如：通过规律的同步数据实现通讯循环的同步，其精度可以达到微秒级。这个同步过程可以***的记录其所控制的系统的所有时间参数，因此能够在每个循环的开始实现非常***的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，想要获得这么高精度的同步实时，必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT等时实时ASIC芯片。