实时的工业以太网Ethernet Powerlink.docVIP

实时的工业以太网Ethernet Powerlink 叶莘先生，贝加莱工业自动化(北京)办事处经理、工学硕士。　　　　关键词：Ethernet　Powerlink　抖动　　　　　　　　近十年来，随着互联网技术飞速发展，以太网成为商业通信中的主导网络技术。以太网的通信速率要比目前任何工业现场总线高很多，因它是IT界标准网络技术，成千上万的公司参与开发生产有关产品，使其成本低廉，可选择范围十分广阔。因此，人们期望以太网也能应用到工控领域中，凭着它的低成本、极高的通信速率、全球普及的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太网来实现从管理层到工业现场层的贯穿一致性通信。　　　　工控领域和IT界对网络系统有着截然不同的需求，要想有效地应用以太网，必须使其符合工业环境的特殊需求。本文以实时工业以太网标准 Ethernet Powerlink为例，介绍工业以太网的实现方案和现场实际应用情况。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——作者序　　　　一 标准以太网的实时局限性　　　　　　目前，标准以太网可达到100Mb/s甚至1000Mb/s的传输速度，远快于任何现场总线系统。但对于工业控制来说，比传输速率更重要的是实时性。实时性的一个重要标志是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先准确预测的。　　　　以太网虽有很高传输速率却不能保证实现控制设备间的实时通信。标准以太网IEEE802.3的通信机制使数据传输时间可被任意推迟，也就谈不上实时性。而在工控领域中，特别是在对高动态过程的控制中，实时性却必不可少。　　　　普通以太网产生这种通信时间不确定性的原因，是它对物理介质的访问机制CSMA/CD。CSMA/CD是以太网标准IEEE802.3的核心，如在尽量不改变现有标准前提下想在工控领域中充分利用以太网优点，就须找到一种方法保证以太网中数据传输时间确定性，使其实现实时通信。　　　　1. 工业控制对实时性的要求　　　　　　(1)实时性　　　　在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内作出反应。至于反应时间须有多快，由被控制过程决定。化工热化过程控制有秒级别的反应时间就足够，而在高动态传动控制中系统反应时间必须达到微秒级。　　　　另外，还可把工控中的实时性分为硬实时和软实时两种不同类别(它们之间没有明显界线)。硬实时：控制中系统响应时间要求如达不到将导致致命后果(如汽车ABS、飞机、工具机床等)。软实时：系统响应时间如达不到要求仅影响系统控制质量，而不会造成严重后果(如楼宇系统、电梯、仓库管理等)。　　　　(2)抖动(Jitter)　　　　所谓抖动，是指同样过程每次完成或响应时间上的偏差，也就是时间精确度。抖动大小对一些过程控制如运动控制和一些高精确度闭环控制非常关键。以无轴印刷机为例：设印刷速度为25m/s，也就是说每40mm/μs 。轴间通信如大于40μs抖动，就会有1mm以上的偏差，印刷质量肯定不能满足要求，如图1。　　 　　　　(3)通信周期时间　　　　控制系统中的程序以周期性循环的方式运行，一个周期内所有输入被刷新，完成计算任务后再被写入输出中，周期时间长短由控制对象决定。高动态传动控制周期往往要达到毫秒级。　　系统联网后，网络数据交换速度应和系统运算周期时间相对应。在位置控制、电子齿轮、多轴联动的高精确度运动控制中，刷新时间越短越好。时间越短控制精确度越高，能完成的动态性能也更高。多轴联动中，伺服系统如以400μs的周期进行位置控制，各轴间的信息交换当然也是以400μs周期为最佳，以达到轴间最精确的同步。　　　　2. 实时级别划分　　 　　　　按照不同过程对实时性要求的不同，可把实时性能划分为4个级别(如图2)。其中实时级别4是工控中对实时性能要求最苛刻的，主要是机械传动和运动控制中对实时性的要求。　　　　针对这些实时要求对象可选用不同现场总线系统，如果工业以太网要成为全工控领域的标准，就须覆盖所有这些对实时性能和通信周期的需求，也就是须满足最苛刻的实时要求。　　　　二 解决以太网实时局限性的传统方法　　　　　　目前，有几种解决以太网数据传输时间不确定问题的方案，其共同点是：都不改变现有以太网通信机制，协议也是直接使用TCP/IP，有很多局限性。代表性方式有：　　　　(1)低冲突概率　　　　如网络中没有太多数据，冲突概率会降低，它随数据通信的增加而呈指数级增长。当网络负载低于或等于10%时，可假设冲突可避免。　　　　这种方法局限性：不能充分利用网络带宽，浪费带宽；且不