“以太网与实时性”已经成为自动化业界最热门的话题之一。无数自动化制造商与自动化组织都试图解决这一难题,因此也就出现了如此众多针对该问题的不同方案。
所有这些方案都涉及的一个共同要素就是TCP/IP协议。但是前提是该协议必须满足实时性的要求。所以我们先讨论一个关键的问题：
1.自动化任务对实时性的要求是什么？
这个问题并不容易回答。对于文件传输,500ms已称得上实时了;而对于视频数据包传输,实时要求变成了100ms,至于“IP语音服务”,实时的要求是20ms。在自动化理论中,10ms也许已经足够,然而许多情况表明事实并非如此。数据刷新时间必须比这快得多,例如维持稳定数据采集的采样率;这里还未提及必要的抖动要求。如果使用轴而且要求同步工作,那么要求则更严格。这种场合下,TCP/IP以及以太网在实时性方面很快就达到了极限。
实时性通常要求确定性的行为。即应该可以计算数据安全传输的时间帧。在这一方面,CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection）访问方式呈现出以太网的一个基本问题。网络上的各工作站对总线“监听”以确认总线是否空闲。如果空闲,它们就开始发送数据。如果两个工作站同时试图发送数据,冲突就产生了。在这一情况下,访问机制首先确保工作站停止传输数据。而后,根据预定义的随机选择算法,工作站再次尝试发送数据。这个过程一直重复直至冲突消失。上述的机制保证了数据的安全发送;可是从确定性行为的角度看来,这却是一个很大的障碍。
多数方案使用TCP/IP作为以太网上的协议。用户的数据由传输控制协议和网际协议“打包”传输。在接收工作站,这些数据又被解包。整个过程在TCP/IP堆栈运行,即数据包要两次通过这一堆栈。利用166MHz奔腾处理器以及UDP/IP（和TCP/IP相似却更快）测量,运行时间约为400μs。数据包从一个网络站点传递到另一个网络站点的整个过程则要花费更长的时间。
TCP/IP协议的另一不足之处就是所谓的“不可见通信”。这是指数据通信在一个与用户无关的后台自动完成。TCP/IP利用它来检查网络上各站点的状态。这种后台通信方式因为会引发冲突从而限制了确定性行为。
图二 TCP/IP栈图示,从硬件到应用软件
目前有多种不同的方案可用来处理这些以太网和TCP/IP的问题。
1.1 根据IEEE 802.1Q/802.1p定义数据包的优先级
按照IEEE802.1Q/802.1p的定义,设置优先级或在队列中临时储存了帧以后,就可以利用以太网头部的扩展范围进行流控制。这一过程通常由交换机处理。该方法的优点在于：高优先级的数据包定义了级别以后,以太网芯片本身就能处理这一功能—从而速度更快。不足之处在于只有新硬件才具备这一功能。该方案不再提供向下兼容性。而且,电子报文的顺序不再得到保证。而TCP/IP原本是具备这一特性的。
1.2 冲突概率
如果网络中没有太多的数据通信,那么冲突的概率会很低。冲突概率随着数据通信的增加而呈指数级的增长。当网络负载低于或等于10％的时候,某些方案会假设冲突是可避免的。可是实际上冲突仍在发生（尽管概率很低）,同时实际利用的快速以太网带宽则有很大的降低。
1.3 在冲突域利用交换机分段
网段分割（利用交换机分割网络）是一种完全不同的方案。它能够完全避免冲突的发生。每个网络站点通过交换机连入网络,这种方式有些类似于一组点对点连接,即所谓的冲突域。如果不考虑成本,一个关键因素在于：交换机是智能化的,进入的数据包在分析以后直接发送给目标站点。这一方案比单纯集线器方式的反应速度更快,抖动也更小。
1.4 主－从方式
还有一种可能的替代方案：主从方式。它基于TCP/IP或UDP/IP,具有避免冲突的优点,但仍有着这些协议的缺陷。另一种可能性是采用特殊协议而抛弃TCP/IP。这种方案的优势在于由于几乎所有快速以太网的带宽都得到了利用,因此数据吞吐量得到了极大提高。但在主站之间的通信却是一个不足,即只有主－从－主的通信才是可能的。从站间的通信是不可能的。
1.5 时间片通信网络管理
贝加莱的出发点是进一步发展和改进主-从方式。这样,在高速率、高利用率的网络中以最小抖动传输的优势才得以体现。网络中每一个工作站与其他工作站,工作组,或所有其他工作站的通信也被严格地限定在规定时间内。这可确保每次只有一台在发送数据。由于没有冲突,从而做到了优化网络使用而不产生任何问题。这种方式就是ETHERNET POWERlink(B&R 快速以太协议)所采用的方法。
ET POWERlink的目标
我们的目标是在快速以太网基础上创建一个高速,实时,确定性的网络环境。利用高速循环数据交换,抖动必定会降到最小,同时也能够在不影响循环通信情况下处理非循环数据。而且,I/O与驱动数据也能够在互相之间以及与PCC系统间实现同步传输。
所有这一切的结果就是提供了一个基于标准快速以太网,专为IO,驱动以及B&R Automation Net?优化的全新网络环境。
ET POWERlink的新特性
ETHERNET POWERlink所支持最快网络循环时间是约400 μs,因此能够与ACOPOS驱动控制周期保持同步。在一个400 μs循环中,大约8个工作站能够完全同步工作,而10个工作站的同步周期约为500 μs,30个工作站时约为1ms。广播机制用于与ACOPOS驱动保持同步,这样所有工作站在每个网络循环都能接收相应的指定数据。单纯网络抖动低于1μs,相比之下500kps的CAN中相应的值是约254μs。
网络循环可以通过主站配置,并可与PCC任务等级保持同步。协议同时支持高速和低速工作站。其中区别在于所有高速工作站在每个网络循环中都能通信;而一个网络循环中只能有一个低速工作站能够完全工作。这样,即使是很高的网络循环周期,网络工作站的数量也可以大量的增加;因为在每个循环中,仅处理高速工作站加上一个低速工作站。网络中允许容纳一个主站和多达254个从站。
“非循环数据通信不影响循环通信”的目标也能够完全实现。ETHERNET POWERlink能够集成于B&R Automation NetTM 之中。
ET POWERlink在标准基础上的拓展
ETHERNET POWERlink完全建立在标准快速以太网之上,因此它完全符合标准的拓扑结构和物理特性。它的传输速率为100Mbps,使用带RJ45插头的标准双绞线电缆（超五类电缆）。网段长度为100m,支持星型和树型结构。仅允许使用集线器作为连接设备,由于有实时性要求而不允许使用交换机。
OSI模型表示了ETHERNET POWERlink协议与上下各层次之间的关系。它表明使用CSMA/CD访问方法和媒体访问控制（MAC）的ETHERNET层处于基础的位置。上方各层（IP与TCP或UDP）则由POWERlink协议取而代之。B&R Automation NetTM也使用TCP/IP或UDP/IP,不过仍能够与ETHERNET POWERlink协同工作。因此,与应用层也就实现了高速循环数据通信。
5.结论
直到目前,建立一个绝对优化的网络（超高速、完全实时能力、覆盖从传感器到ERP链接所有范围）从经济角度来说是不可能的。只有定义了相应的目标,才可能实现优化方案。在创建优化方案的同时,必须考虑到各个目标之间产生的所有冲突。拥有ETHERNET POWERlink,贝加莱已经开发了专用于IO、驱动和B&R Automation NetTM的优化网络,它能够最优化的满足以太网和实时性的要求。
