1  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性要求

    人們知道，用于工業(yè)自動(dòng)化系統的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)來(lái)源于IT信息技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，但是又不同于一般的計算機網(wǎng)絡(luò )通信，這是因為IT網(wǎng)絡(luò )通信是以傳遞信息為最終目的，而工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )傳遞信息是以引起物質(zhì)或能量的運動(dòng)為最終目標。所以，用于測量和控制的數據通信的主要特點(diǎn)是：允許對事件進(jìn)行實(shí)時(shí)響應的事件驅動(dòng)通信；很高的可用性；很高的數據完整性；在有電磁干擾和地電位差的情況下能正常工作；以及使用工廠(chǎng)內專(zhuān)用的傳輸線(xiàn)等。其中，最主要的要求是網(wǎng)絡(luò )通信的高實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)（real time）的含義是指數據處理就像發(fā)生在數據產(chǎn)生的時(shí)刻，其響應沒(méi)有大的延時(shí)。
    對于工業(yè)自動(dòng)化系統來(lái)說(shuō)，目前根據不同的應用場(chǎng)合，將實(shí)進(jìn)性要求劃分為三個(gè)范圍，它們是：信息集成和較低要求的過(guò)程自動(dòng)化應用場(chǎng)合，實(shí)時(shí)響應時(shí)間要求是100ms或更長(cháng)；絕大多數的工廠(chǎng)自動(dòng)化應用場(chǎng)合實(shí)時(shí)響應時(shí)間的要求最少為5～10ms；對于高性能的同步運動(dòng)控制應用，特別是在100個(gè)節點(diǎn)下的伺服運動(dòng)控制應用場(chǎng)合，實(shí)時(shí)響應時(shí)間要求低于1ms，同步傳送和抖動(dòng)小于1μs。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性還規定了許多技術(shù)指標，如交付時(shí)間、吞吐量、時(shí)間同步、時(shí)間同步精度、以及冗余恢復時(shí)間等。對于這些性能指標都有詳細的規定，如我國制定的“用于工業(yè)測量與控制系統的EPA系統結構與通信標準”的國家標準中規定網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步精度為8個(gè)等級，即：0―無(wú)精度要求;1―時(shí)間同步精度<1s;2―時(shí)間同步精度<100ms;3―時(shí)間同步精度<10ms;4―時(shí)間同步精度<1ms;5―時(shí)間同步精度<100μs;6―時(shí)間同步精度<10μs;7―時(shí)間同步精度<1μs。

2  工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

    長(cháng)期以來(lái)，由于現場(chǎng)總線(xiàn)爭議不休，互通與互操作問(wèn)題很難解決，于是現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)始轉向以太網(wǎng)。經(jīng)過(guò)近幾年的努力，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動(dòng)化系統廣泛接受。眾所周知Ethernet網(wǎng)絡(luò )出現于1975年，并于1982年制定成為IEEE 802.3標準的第一版本。1990年2月該標準正式成為ISO/IEC 8802.3國際標準。在這期間，Ethernet從最初10Mbps以太網(wǎng)，過(guò)渡到100Mbps快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，直至發(fā)展到今天的光纖以太網(wǎng)和萬(wàn)兆以太網(wǎng)?？梢哉f(shuō)，開(kāi)放的Ethernet是三十年來(lái)發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它是在與IEEE 802.4令牌總線(xiàn)局域網(wǎng)和IEEE 802.5令牌環(huán)局域網(wǎng)兩個(gè)對手的競爭中脫穎而出的，并導致了一場(chǎng)信息技術(shù)的革命。Ethernet網(wǎng)的快速發(fā)展和廣泛應用有力地推動(dòng)了高技術(shù)芯片和系統開(kāi)發(fā)，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò )性能和降低了系統成本。因而，Ethernet每年在世界上的安裝量超過(guò)上億個(gè)節點(diǎn)。
    通常，人們習慣上將用于工業(yè)控制系統的以太網(wǎng)統稱(chēng)為工業(yè)以太網(wǎng)。但是，如果仔細劃分，按照國際電工委員會(huì )SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境，符合IEEE 802.3標準，按照IEEE 802.1D“媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）網(wǎng)橋”規范和IEEE 802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規范，對其沒(méi)有進(jìn)行任何實(shí)時(shí)擴展（extension）而實(shí)現的以太網(wǎng)。通過(guò)采用減輕以太網(wǎng)負荷、提高網(wǎng)絡(luò )速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息級和流量控制及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，到目前為止可以將工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)響應時(shí)間做到5～10ms，相當于現有的現場(chǎng)總線(xiàn)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)是兼容的。
    對于響應時(shí)間小于5ms的應用，工業(yè)以太網(wǎng)已不能勝任，為了滿(mǎn)足高實(shí)時(shí)性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案。這些方案建立在IEEE 802.3標準的基礎上，通過(guò)對其和相關(guān)標準的實(shí)時(shí)擴展提高實(shí)時(shí)性，并且做到與標準以太網(wǎng)的無(wú)縫連接，這就是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（Real Time Ethernet，簡(jiǎn)稱(chēng)RTE）。為了規范這部分工作的行為，2003年5月，IEC/SC65C專(zhuān)門(mén)成立了WG11實(shí)時(shí)以太網(wǎng)工作組，該工作組負責制定 IEC 61784-2“基于ISO/IEC 8802.3的實(shí)時(shí)應用系統中工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )行規”國際標準，在該標準中包括：Communication Profile Family 2 Ethernet/IP;CPF 3 PROFINET;CPF4 P-NET;CPF6 Interbus;CPF10 VNET/IP;CPF11 TCNET;CPF12 EtherCAT;CPF13 Ethernet Powerlink;CPF14 EPA(中國);CPF15 MODBUS/TCP和CPF16SERCOS等11種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)行規集。其中，包括我國EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準的6個(gè)新增實(shí)時(shí)以太網(wǎng)將以IEC PAS（Publicly Available Specification）公共可用規范予以發(fā)表。在上述實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)中，將有六個(gè)主要的競爭者：EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP。

3  六種主要實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議分析

  根據實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)擴展的不同技術(shù)方案，可將實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議模型分為4類(lèi)，如圖1所示。

圖1  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)按實(shí)時(shí)擴展方案分類(lèi)

    圖1中的①是經(jīng)過(guò)常規最大努力提高實(shí)時(shí)性，一般工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議模型；②是采用在TCP/IP之上進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換方案；③是采用經(jīng)優(yōu)化處理和提供旁路實(shí)時(shí)通道的通信協(xié)議模型；④是采用集中調度提高實(shí)時(shí)性的解決方案；⑤是采用類(lèi)似Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)“集總幀”通信方式和在物理層使用總線(xiàn)拓撲結構提升以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能。圖1中同時(shí)給出了六種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)方案的歸類(lèi)情況。由于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)涉及很多方面，限于篇幅，這里僅對通信協(xié)議做簡(jiǎn)要論述與分析。
3.1  EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)
    EPA（Ethernet for Plant Automation）用于工業(yè)測量與控制系統的以太網(wǎng)標準是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、重慶郵電學(xué)院、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位聯(lián)合成立的標準起草工作組起草。
    EPA網(wǎng)絡(luò )拓樸結構如圖2所示，它由兩級網(wǎng)絡(luò )組成，即過(guò)程監控級L2網(wǎng)和現場(chǎng)設備級L1網(wǎng)。

圖2  EPA系統網(wǎng)絡(luò )拓樸結構

    現場(chǎng)設備級L1網(wǎng)用于工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的各種現場(chǎng)設備（如變送器、執行機構和分析儀器等）之間以及現場(chǎng)設備與L2網(wǎng)的連接；過(guò)程監控級L2網(wǎng)主要用于控制室儀表、裝置以及人機接口之間的連接。無(wú)論是L1網(wǎng)還是L2網(wǎng)，均可分為一個(gè)或幾個(gè)微網(wǎng)段。
    在EPA系統中，將控制網(wǎng)絡(luò )劃分為若干個(gè)控制區域，每個(gè)控制區域即為一個(gè)微網(wǎng)段。每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)EPA網(wǎng)橋與其它網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進(jìn)行，而不會(huì )占用其它網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網(wǎng)橋轉發(fā)控制。
    為了提高網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性能，EPA對ISO/IEC 8802.3協(xié)議規定的數據鏈路層進(jìn)行了擴展，在其之上增加了一個(gè)EPA通信調度管理實(shí)體（Communication Scheduling Management Entity，簡(jiǎn)稱(chēng)EPA-CSME）。EPA-CSME不改變IEC 8802.3數據鏈路層提供給DLS-User的服務(wù)，也不改變與物理層的接口，只是完成對數據報文的調度管理。該數據鏈路層模型如圖3所示。

圖3  EPA數據鏈路層模型

    EPA-CSME通信調度管理實(shí)體支持：完全基于CSMA/CD的自由競爭的通信調度和基于分時(shí)發(fā)送的確定性通信調度。對于第一種通信調度，EPA-CSME直接傳輸DLE與DLS-User之間交互的數據，而不作任何緩存和處理。對于第二種通信調度，每個(gè)EPA設備中的EPA-CSME將DLS-Use DATA根據事先組態(tài)好的控制時(shí)序和優(yōu)先級大小，傳送給DLE，由DLE處理后通過(guò)PhLE發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )，以避免兩個(gè)設備在同一時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò )上同時(shí)發(fā)送數據，避免報文碰撞。下面介紹EPA通信調度的具體規程。
    在一個(gè)EPA微網(wǎng)段內，所有EPA設備的通信均按周期進(jìn)行，完成一個(gè)通信周期所需的時(shí)間T稱(chēng)為一個(gè)通信宏周期。通信宏周期T分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個(gè)階段為非周期報文傳輸階段Tn，如圖4所示。

圖4  EPA通信調度示意圖

    在周期報文傳輸階段Tp，每個(gè)EPA設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過(guò)程有關(guān)的數據，如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數據。周期報文的發(fā)送優(yōu)先級應為最高。
    在非周期報文傳輸階段Tn，每個(gè)EPA設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個(gè)通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀寫(xiě)數據、事件通知、趨勢報告等數據，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP、IGMP等應用數據。非周期報文按其優(yōu)先級高低、IP地址大小及時(shí)間有效方式發(fā)送。
    EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準定義了基于ISO/IEC 8802.3、RFC 791、RFC 768和RFC 793等協(xié)議的EPA系統結構、數據鏈路層協(xié)議、應用層服務(wù)定義與協(xié)議規范，以及基于XML的設備描述規范。該規范面向控制工程師的應用實(shí)際，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎上，結合工程應用實(shí)踐，形成了微網(wǎng)段化系統結構、確定性通信調度、總線(xiàn)供電、分層網(wǎng)絡(luò )安全控制策略、冗余管理、三級式鏈路訪(fǎng)問(wèn)關(guān)系、基于XML的設備描述語(yǔ)言等方面的特色，并擁有完全的自主知識產(chǎn)權。目前，EPA已有多種產(chǎn)品，包括基于EPA的變送器、執行器、現場(chǎng)控制器、數據采集器、遠程分散控制站、無(wú)紙記錄儀等產(chǎn)品，基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統已在化工廠(chǎng)得到成功應用。
3.2  Ethernet/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)
    Ethernet/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)由ControlNet國際組織CI、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì )IEA和開(kāi)放的DeviceNet供應商協(xié)會(huì )ODVA等共同開(kāi)發(fā)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準。
    Ethernet/IP實(shí)時(shí)擴展成功之處在于TCP/IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），在應用層進(jìn)行實(shí)進(jìn)數據交換和運行實(shí)時(shí)應用，其通信協(xié)議模型如圖5所示。

圖5  Ethernet/IP通信協(xié)議模型

    CIP的控制部分用于實(shí)時(shí)I/O報文或隱形報文。CIP的信息部分用于報文交換，也稱(chēng)作顯性報文。ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP都使用該協(xié)議通信，三種網(wǎng)絡(luò )分享相同的對象庫，對象和裝置行規使得多個(gè)供應商的裝置能在上述三種網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現即插即用。Ethernet/IP能夠用于處理多達每個(gè)包1 500個(gè)字節的大批量數據，它以可予報方式管理大批量數據。
    2003年ODVA組織將IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議用于Ethernet/IP，制定了CIPsync標準以進(jìn)一步提高Ethernet/IP的實(shí)時(shí)性。該標準要求每秒鐘由主控制器廣播一個(gè)同步化信號到網(wǎng)絡(luò )上的各個(gè)節點(diǎn)，要求所有節點(diǎn)的同步精度準確到微秒級。為此，芯片制造商增加一個(gè)“加速”線(xiàn)路到以太網(wǎng)芯片，從而將性能改善到500毫微秒的精度。由此可見(jiàn)，CIPsync是CIP的實(shí)時(shí)擴展。
3.3  Modbus-IDA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)
    Modbus組織和IDA（Interface for Distributed Automation）集團都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互連網(wǎng)技術(shù)的分布式智能自動(dòng)化系統，為了提高競爭力，2003年10月，兩個(gè)組織宣布合并，聯(lián)手開(kāi)發(fā)Modbus-IDA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。

圖6  Modbus-IDA通信協(xié)議模型

    Modbus-IDA實(shí)時(shí)擴展的方案是為以太網(wǎng)建立一個(gè)新的實(shí)時(shí)通信應用層，采用一種新的通信協(xié)議RTPS（Real-Time Publish/Subscribe）實(shí)現實(shí)時(shí)通信，該協(xié)議的實(shí)現則由一個(gè)中間件來(lái)完成。Modbus-IDA通信協(xié)議模型如圖6所示，該模型建立在面向對象的基礎上，這些對象可以通過(guò)API應用程序接口被應用層調用。通信協(xié)議同時(shí)提供實(shí)時(shí)服務(wù)和非實(shí)時(shí)服務(wù)。非實(shí)時(shí)通信基于TCP/IP協(xié)議，充分采用IT成熟技術(shù)，如基于網(wǎng)頁(yè)的診斷和配置（HTTP）、文件傳輸（FTP）、網(wǎng)絡(luò )管理（SNMP）、地址管理（BOOTP/DHCP）和郵件通知（SMTP）等；實(shí)時(shí)通信服務(wù)建立在RTPS實(shí)時(shí)發(fā)布者/預訂者模式和Modbus協(xié)議之上。RTPS協(xié)議及其應用程序接口（API）由一個(gè)對各種設備都一致的中間件來(lái)實(shí)現，它采用美國RTI（Real-Time Innovations）公司的NDDS 3.0（Network Data Delivery Service）實(shí)時(shí)通信系統。RTPS建立在Pubilsh/Subscribe模式基礎上，并進(jìn)行了擴展，增加了設置數據發(fā)送截止時(shí)間、控制數據流速率和使用多址廣播等功能。它可以簡(jiǎn)化為一個(gè)數據發(fā)送者和多個(gè)數據接收者之間通信編程的工作，極大地減輕網(wǎng)絡(luò )的負荷。RTPS構建在UDP協(xié)議之上，Modbus協(xié)議構建在TCP協(xié)議之上。
3.4  PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)
    PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)是由Profibus International（PI）組織提出的基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化標準。從2004年開(kāi)始，PI與Interbus Club（Interbus總線(xiàn)俱樂(lè )部）聯(lián)手，負責合作開(kāi)發(fā)與制定標準。PROFINET構成從I/O級直至協(xié)調管理級的基于組件的分布式自動(dòng)化系統的體系結構方案，PROFIBUS技術(shù)和INTERBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以在整個(gè)系統中無(wú)縫地集成。
    PROFINET已有三個(gè)版本，在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE 802.1D和IEEE 1588進(jìn)行實(shí)時(shí)擴展的技術(shù)方案，并對不同實(shí)時(shí)要求的信息采用不同的實(shí)時(shí)通道技術(shù)。PROFINET通信協(xié)議模型如圖7所示。

圖7   PROFINET通信協(xié)議模型

    從圖7中可以看出，PROFINET提供一個(gè)標準通信通道和兩類(lèi)實(shí)時(shí)通信通道。標準通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實(shí)時(shí)通信通道，主要用于設備參數化、組態(tài)和讀取診斷數據。實(shí)時(shí)通道RT是軟實(shí)時(shí)SRT（Software RT）方案，主要用于過(guò)程數據的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號等。它旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。為優(yōu)化通信功能，PROFINET根據IEEE 802.1p定義了報文的優(yōu)先級，最多可用7級。實(shí)時(shí)通道IRT采用了IRT（Isochronous Real-Time）等時(shí)同步實(shí)時(shí)的ASIC芯片解決方案，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間，特別適用于高性能傳輸、過(guò)程數據的等時(shí)同步傳輸、以及快速的時(shí)鐘同步運動(dòng)控制應用，在1ms時(shí)間周期內，實(shí)現對100多個(gè)軸的控制，而抖動(dòng)不足1μs。
3.5  Ethernet PowerLink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)
    Ethernet PowerLink由奧地利B&R公司于2001年開(kāi)發(fā)，并在2002年成立了EPSG（Ethernet PowerLink Standardigation  Group）組織。EPSG的戰略伙伴有CIA/CANOpen，這是設備級通信協(xié)議和行規的用戶(hù)集團以及IAONA工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )體系結構集團等。
    PowerLink協(xié)議對第3和第4層的TCP/UDP/IP棧進(jìn)行了實(shí)時(shí)擴展。增加的基于TCP/IP的Async中間件用于異步數據傳輸，Isochron等時(shí)中間件用于快速、周期的數據傳輸。PowerLink通信協(xié)議模型如圖8所示。

圖8  PowerLink通信協(xié)議模型

    從圖8可看出， PowerLink?？刂浦?zhù)網(wǎng)絡(luò )上的數據流量。Ethernet PowerLink避免網(wǎng)絡(luò )上數據沖突的方法是采用SCNM（Slot Communication Network Management）時(shí)間片通信網(wǎng)絡(luò )管理機制。SCNM能夠做到無(wú)沖突的數據傳輸，專(zhuān)用的時(shí)間片用于調度的等時(shí)同步傳送的實(shí)時(shí)數據；共享的時(shí)間片用于異步的數據傳輸。在網(wǎng)絡(luò )上，只能指定一個(gè)站為管理站，它為所有網(wǎng)絡(luò )上的其它站建立一個(gè)配置表和分配的時(shí)間片，只有管理站能接收和發(fā)送數據，其它站只有在管理站授權下才能發(fā)送數據。為此PowerLink需要采用基于IEEE 1588的時(shí)間同步。
3.6  EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)
    EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）由德國B(niǎo)eckhoff公司開(kāi)發(fā)，并得到ETG（EtherCAT Technolgy Group）組織的支持。EtherCAT是一個(gè)可用于現場(chǎng)級的超高速I(mǎi)/O網(wǎng)絡(luò )，它使用標準的以太網(wǎng)物理層和常規的以太網(wǎng)卡，媒體可為雙絞線(xiàn)或光纖。
    Ethernet技術(shù)用于現場(chǎng)級的最大問(wèn)題是通信效率低，用于傳送現場(chǎng)數據的Ethernet幀最短為84字節（包括分組間隙IPG）。按照理論計算值，以太網(wǎng)的通信效率僅為0.77%，Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)的通信效率高達52%。于是，EtherCAT采用了類(lèi)似Interbus技術(shù)的集總幀等時(shí)通信的原理，如圖9所示。EtherCAT開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用ASIC芯片FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）用于I/O模塊， 這樣一來(lái)，EtherCAT可采用標準以太網(wǎng)幀，并以特定的環(huán)狀拓樸發(fā)送數據，在FMMU現場(chǎng)總線(xiàn)存儲器管理單元的控制下，網(wǎng)絡(luò )上的每個(gè)站（或I/O單元）均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關(guān)的數據，或者插入該站要輸出的數據。EtherCAT還通過(guò)內部?jì)?yōu)先級系統，使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀比其它數據幀有較高的優(yōu)先級。組態(tài)數據只在實(shí)時(shí)數據的傳輸間隙期間傳送或通過(guò)專(zhuān)用通道傳送。EtherCAT采用IEEE 1588時(shí)間同步機制實(shí)現分布式時(shí)鐘精確同步。從而使EtherCAT可以在30μs內處理1 000個(gè)開(kāi)關(guān)量，或在50μs內處理200個(gè)16位模擬量，其通信能力可以使100個(gè)伺服軸的控制、位置和狀態(tài)數據在100μs內更新。

圖9   EtherCAT集總幀等時(shí)通信

4  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步延伸

4.1  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)向傳統的運動(dòng)控制領(lǐng)域延伸
    過(guò)去，運動(dòng)控制領(lǐng)域一直使用由IGS集團開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用現場(chǎng)總線(xiàn)SERCOS（Serial Real-time Communication System）接口。近來(lái)，由于實(shí)時(shí)擴展技術(shù)的突破，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)已延伸至運動(dòng)控制領(lǐng)域，從而成為能覆蓋整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。與此同時(shí)，SERCOS串行實(shí)時(shí)通信系統也將發(fā)展為SERCOS-Ⅲ第三代串行實(shí)時(shí)通信系統，成為SERCOS實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。由于SERCOS-Ⅲ采用TDMA（Time Divison Multiplex Access）時(shí)間片通信機制，所以SERCOS-Ⅲ實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性在運動(dòng)控制領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先水平。
4.2  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)延伸
    近年來(lái)，大量商業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)技術(shù)正在移植到工廠(chǎng)級應用。無(wú)線(xiàn)應用已經(jīng)成為工業(yè)以太網(wǎng)強有力的延伸手段。這是因為在一些條件苛刻的現場(chǎng)會(huì )有無(wú)法布線(xiàn)的區域，另外在高速旋轉設備和工業(yè)機器人等應用中無(wú)法使用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，還有一些現場(chǎng)使用無(wú)線(xiàn)方案反而可以節省時(shí)間、材料及人工。目前，無(wú)線(xiàn)方案基于三個(gè)無(wú)線(xiàn)協(xié)議，它們是：IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議，該標準使用CSMA/CA載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突防止技術(shù)，工作于2.4GHz頻段，其物理層有跳頻擴展頻譜（FHSS）方式和直接序列擴展頻譜（DSSS）方式；IEEE 802.15.1藍牙協(xié)議，它采用高速跳頻、短分組及快速確認方式，其載頻選用2.45GHz ISM頻帶；以及IEEE 802.15.4 Zigbee技術(shù)，它是一種近距離、低功耗、低速和低成本的雙向無(wú)線(xiàn)技術(shù)，物理層基于DSSS方式，工作于2.4GHz和868/915MHz頻帶。我國EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國家標準包括了上述前兩種無(wú)線(xiàn)通信。
    在EPA標準中規定通過(guò)一個(gè)局域網(wǎng)接入點(diǎn)（AP）將IEEE 802.11局域網(wǎng)與EPA網(wǎng)絡(luò )相連；同時(shí)規定，在RFCOMM上采用PPP的局域網(wǎng)接入方式，將藍牙無(wú)線(xiàn)設備與EPA網(wǎng)連接。
4.3  “e網(wǎng)到底”的三個(gè)技術(shù)方案
    長(cháng)期以來(lái)，有一種意見(jiàn)一直認為以太網(wǎng)不可能進(jìn)入控制系統現場(chǎng)級，理由是以太網(wǎng)在技術(shù)上存在實(shí)時(shí)性、通信效率、總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全等障礙?，F在看來(lái)，上述前三個(gè)問(wèn)題已經(jīng)很好解決，本質(zhì)安全技術(shù)也將于2006年完成開(kāi)發(fā)工作，所以Ethernet還將繼續向下延伸。
(1)  EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)使用的方案
    以太網(wǎng)技術(shù)最近的一個(gè)新進(jìn)展是向機箱級的“背板總線(xiàn)”延伸。EtherCAT利用這一技術(shù)開(kāi)發(fā)了用于現場(chǎng)控制柜的E-bus，I/O機箱的第一個(gè)模塊使用總線(xiàn)耦合器，該耦合器將標準的雙絞線(xiàn)或光纜電氣信號轉換為E-bus信號，I/O模塊之間信息通過(guò)E-bus傳送。E-bus是基于LVDS（Low Voltage Differential Signal）信號傳輸，傳送距離為10米。這樣一來(lái)，以太網(wǎng)幀可以不受影響地傳送到I/O輸入的端口，從某種意義上講，以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現場(chǎng)設備級。
(2)  美國IEEE 1451技術(shù)方案
    IEEE 1451《用于傳感器和執行器的智能轉換器接口》標準，它在控制網(wǎng)絡(luò )和傳感器之間定義一個(gè)標準接口，通過(guò)一種稱(chēng)作管道的簡(jiǎn)單傳遞機構，使用Ethernet傳送他們的報文，這種方法簡(jiǎn)單可行，現場(chǎng)裝置保持不變，只需一個(gè)專(zhuān)用ASIC的Ethernet網(wǎng)絡(luò )接口取代原來(lái)的驅動(dòng)器就可以完成與以太網(wǎng)的連接，從而使用網(wǎng)絡(luò )傳感器成為工業(yè)以太網(wǎng)系統現場(chǎng)級的數字傳感器。
(3)  EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)采用的方案
    從圖2中可以看出，EPA由過(guò)程監控級網(wǎng)和現場(chǎng)設備級網(wǎng)構成?，F場(chǎng)設備網(wǎng)分置于控制現場(chǎng)，控制現場(chǎng)可劃分為若干個(gè)控制區域，各個(gè)控制區域內相關(guān)的諸如變送器、執行器和現場(chǎng)控制器等現場(chǎng)設備均通過(guò)EPA網(wǎng)絡(luò )連接在一起，按照組態(tài)，相互進(jìn)行協(xié)調工作，從而完成一定的控制功能。
    每個(gè)控制區域內的EPA子系統由EPA現場(chǎng)控制器、EPA-HUB、EPA變送器和EPA執行器等組成，通過(guò)EPA現場(chǎng)設備通信模塊可實(shí)現相互之間的通信，并可獨立完成控制系統中某一部分的測量與控制功能。EPA現場(chǎng)設備通信模塊通過(guò)EPA現場(chǎng)設備網(wǎng)供電。目前，EPA正在研制用于現場(chǎng)設備通信模塊的專(zhuān)用ASIC芯片。
    在世界各國研發(fā)機構的共同推動(dòng)下，以太網(wǎng)技術(shù)獲得極其快速的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)正逐個(gè)被攻破，工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境的安裝應用將被解決。隨著(zhù)初期研發(fā)投資被消化以后，工業(yè)以太網(wǎng)相對于現場(chǎng)總線(xiàn)的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢將逐漸凸現。人們相信，從現在開(kāi)始，就將會(huì )出現工業(yè)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)迅速推廣應用的局面。