《電子技術(shù)應(yīng)用》
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如何設(shè)計(jì)工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性
工業(yè)以太網(wǎng)
劍思庭博客
摘要: 實(shí)時(shí)表示系統(tǒng)在一個(gè)確定時(shí)間內(nèi)處理外部事件,。確定性意味著系統(tǒng)具有一個(gè)可預(yù)知的響應(yīng),。實(shí)時(shí)通信的一般要求:
Abstract:
Key words :

實(shí)時(shí)表示系統(tǒng)在一個(gè)確定時(shí)間內(nèi)處理外部事件,。確定性意味著系統(tǒng)具有一個(gè)可預(yù)知的響應(yīng),。實(shí)時(shí)通信的一般要求:

確定性的響應(yīng),;

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間<=5ms,;

以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信應(yīng)對(duì)設(shè)備處理器造成小的負(fù)擔(dān),,因此處理器的主要任務(wù)是處理用戶程序而不是通訊翻譯的工作,,同時(shí)應(yīng)減量減少通訊時(shí)間,。圖1表明了哪些因素影響通訊周期,。

實(shí)現(xiàn)通信的一種方式使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,例如TCP/IP或者UDP/IP等,,然而使用它們會(huì)帶來缺點(diǎn):幀過載會(huì)增加幀的長(zhǎng)度,,因而會(huì)引起線路上傳輸時(shí)間的增加見圖2。此外,,對(duì)應(yīng)的通信棧需要占用處理器相對(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)的計(jì)算時(shí)間,,因而會(huì)導(dǎo)致發(fā)送周期增加。

 

通過對(duì)發(fā)送器和接收器的通訊棧的優(yōu)化,,可以使更新率有相當(dāng)大的改觀,,而且處理器負(fù)載也會(huì)相應(yīng)減少。然而,,對(duì)通信棧的運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化也就意味著此時(shí)的TCP/IP通訊棧不再是一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,,而只是一種專門的實(shí)現(xiàn)方式了,對(duì)UDP/IP實(shí)現(xiàn)的使用也是同樣,。

然而第三層和第四層的協(xié)議只是適合部分的周期交換數(shù)據(jù),,對(duì)于這種應(yīng)用,建議使用遵照ieee802.3制定優(yōu)化第二層協(xié)議,。這是唯一的局限就是:由于沒有使用第三層協(xié)議,,所以就會(huì)失去路由功能。但是作為工業(yè)一級(jí)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)中盡量不要設(shè)計(jì)路由器,,因?yàn)檫@會(huì)大大降低通信速度,。

例如profinet就使用了優(yōu)化的通信通道進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,,因此保證了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不同站點(diǎn)之間在一個(gè)極短的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行時(shí)間要求苛刻的數(shù)據(jù)傳輸。

通過軟件方案或者使用特殊的硬件,,可以在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)控制器上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信通道,。該通道基于ISO/OSI參考模型的第二層見表1。此處數(shù)據(jù)包的尋址不是通過IP地址來實(shí)現(xiàn)的,,而是使用接受設(shè)備的MAC地址,。實(shí)時(shí)通信允許精確限定(預(yù)測(cè))傳輸時(shí)間,并能保證其它標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/IP可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上使用而不會(huì)產(chǎn)生問題,。

 

任務(wù)

標(biāo)準(zhǔn)通信

實(shí)時(shí)通信

7

處理

DCOM/RPC

-

6

表示

-

-

5

通訊

套結(jié)字接口

-

4

傳輸

傳輸控制協(xié)議TCP/用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議UDP

-

3

網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)際協(xié)議IP

-

2

數(shù)據(jù)鏈路

以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)

實(shí)時(shí)協(xié)議/等時(shí)同步實(shí)時(shí)協(xié)議

1

比特傳輸

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器

 

實(shí)時(shí)協(xié)議保證了周期數(shù)據(jù)和事件控制消息(警報(bào))的高性能傳輸,。它分為三種類型見圖3

 

實(shí)時(shí)類型1:適合周期數(shù)據(jù)傳輸;對(duì)所有使用的交換機(jī)沒有特殊要求,。

實(shí)時(shí)類型2:適合中斷數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)傳輸,,此時(shí)需要工業(yè)交換機(jī),然而,,在組態(tài)的時(shí)候還不需要對(duì)通信進(jìn)行規(guī)劃,。

實(shí)時(shí)類型3:適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的周期數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)時(shí)候需要工業(yè)交換機(jī),,而且還需要對(duì)通信進(jìn)行明確的規(guī)劃,。

 

 

在沒有實(shí)時(shí)性需求的數(shù)據(jù),可以在標(biāo)準(zhǔn)的通道上傳輸見表2

 

 

標(biāo)準(zhǔn)通道

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

設(shè)備參數(shù)化

診斷數(shù)據(jù)讀取

互聯(lián)數(shù)據(jù)加載

非周期數(shù)據(jù)交換

傳輸用戶數(shù)據(jù)的通信通道的協(xié)商

實(shí)時(shí)通道

-實(shí)時(shí)類型1,、2

 用戶數(shù)據(jù)高性能傳輸

 周期數(shù)據(jù)交換

 通過事件控制的數(shù)據(jù)交換

-實(shí)時(shí)類型3

 高性能數(shù)據(jù)傳輸

 等時(shí)同步數(shù)據(jù)

 抖動(dòng)時(shí)間<1uS

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