實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)不止一種，事實(shí)上，似乎有多種努力正在幫助以太網(wǎng)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，其中最值得一提的是IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，它用于在分布式網(wǎng)絡(luò)中對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行同步。
當(dāng)在良好條件下單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，以太網(wǎng)起動(dòng)速度很快，且響應(yīng)時(shí)間可達(dá)毫秒量級(jí)。但由于很多同樣的原因（即所有通信、自動(dòng)化和/或控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變能力有限），基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)常常會(huì)停頓數(shù)毫秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。
設(shè)備及I/O層上的數(shù)據(jù)采集與傳輸問(wèn)題；低效交換、太多設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)自身流量的不恰當(dāng)協(xié)調(diào)；還有在上一層通信（如TCP及UDP）上進(jìn)行的誤差檢測(cè)及翻譯障礙等，都能從基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上占取寶貴的時(shí)間。這些延遲阻礙了以太網(wǎng)一些知名的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用到離散與運(yùn)動(dòng)控制，以及其他高速應(yīng)用中。
“任何網(wǎng)絡(luò)都將花費(fèi)一定的開(kāi)銷(xiāo)，來(lái)作為捕獲在網(wǎng)絡(luò)上傳輸消息負(fù)載所需數(shù)據(jù)位的前同步或后同步信號(hào)。其負(fù)面效應(yīng)是以太網(wǎng)的這種開(kāi)銷(xiāo)要遠(yuǎn)大于大多數(shù)協(xié)議的這種開(kāi)銷(xiāo)，特別在增加TCP/IP協(xié)議棧的時(shí)候；其正面效應(yīng)是以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的速度要比其他協(xié)議快很多”，CMC協(xié)會(huì)（Acton，MA）的首席執(zhí)行官Dick Caro說(shuō)，“比如，專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)可以擁有16位的地址，而以太網(wǎng)則擁有48位地址，但它的速度如此之快以至于用戶通常會(huì)將此弱點(diǎn)忽略不計(jì)。盡管如此，您也很難獲得高于它所聲稱(chēng)連網(wǎng)速度一半的速度，這意味著如果設(shè)備連網(wǎng)速度為100 Mbps，則其總的有效負(fù)載速度將接近50 Mbps”。
幸運(yùn)的是，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種用來(lái)提高以太網(wǎng)相關(guān)組件及軟件速度的有用方法，而且還在開(kāi)發(fā)更多這樣的方法。其中一些方法利用創(chuàng)新技術(shù)來(lái)使網(wǎng)絡(luò)通信更加順暢，而另一些方法則只簡(jiǎn)單地尋求使數(shù)據(jù)發(fā)送及接收更為可靠。 IEEE 1588的同步機(jī)制
一種最有前途的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案是IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議（Standard Precision Time Protocol，PTP），它定義了一種方法，用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其他采用商用技術(shù)的分布式應(yīng)用中的傳感器執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級(jí)同步。IEEE 1588最初由Agilent Laboratories（安捷倫實(shí)驗(yàn)室）（Palo Alto， CA）的John Eidson開(kāi)發(fā)，并于2002年11月得到IEEE批準(zhǔn)。
 IEEE 1588的基本功能是用作對(duì)網(wǎng)絡(luò)上其他所有設(shè)備進(jìn)行同步的一種最精確時(shí)鐘，Hirschmann Electronics 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部經(jīng)理 Dirk Mohl 在他最近發(fā)表的論文--“IEEE 1588-- 一種充當(dāng)自動(dòng)化實(shí)時(shí)應(yīng)用基礎(chǔ)的精確時(shí)鐘同步機(jī)制” 中說(shuō) 。同時(shí)他還補(bǔ)充說(shuō)，Hirschmann已經(jīng)在它的Mice 模塊化以太網(wǎng)交換機(jī)上測(cè)試了IEEE 1588 增強(qiáng)插件模塊，并發(fā)現(xiàn)其同步精度在最大抖動(dòng)時(shí)為±100納秒，且主、從時(shí)鐘之間偏移量的頻率分布總計(jì)為23.95納秒，平均為-4.248納秒。
 結(jié)果，已有數(shù)家制造商正在使用基于IEEE 1588 的方案，其中包括 Rockwell Automation 及Open DeviceNet Vendors Association（開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)，ODVA），它們正在將1588與其稱(chēng)為CIP Sync（CIP同步）項(xiàng)目中的CIP（Common Industrial Protocol）及 EtherNet/IP 協(xié)議進(jìn)行集成。在最近發(fā)表的一篇題為“IEEE 1588 在分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用”一文中，3位來(lái)自Rockwell Automation工程師宣布，他們已經(jīng)在分布式控制系統(tǒng)樣機(jī)中使用了1588，這種控制系統(tǒng)包括 3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，每一控制器都利用一塊 SERCOS卡并通過(guò) SERCOS 與一個(gè)驅(qū)動(dòng)器相連，且每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都被當(dāng)成是運(yùn)動(dòng)的一個(gè)軸，但其中一個(gè)被指定為主軸，而另兩個(gè)則被指定為從軸。
由于主軸控制器周期性地向每一從軸控制器發(fā)送位置參考信息，因而使每一從軸都能與主軸以一比一的比率相咬合。所有節(jié)點(diǎn)上的時(shí)鐘（運(yùn)行于50 MHz PowerPC CPU上）通過(guò)1588并借助以太網(wǎng)而被同步�；具\(yùn)動(dòng)操作要求每一節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)任務(wù)都能彼此同步，而節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行的交易則基于一種同步定期更新循環(huán)，這種機(jī)制也被用于控制器至驅(qū)動(dòng)器、以及控制器至控制器之間的信號(hào)交換。為同步系統(tǒng)中的所有運(yùn)動(dòng)，而將運(yùn)動(dòng)任務(wù)及位置更新循環(huán)同步在1588時(shí)鐘上。
Rockwell Automation ACIG首席工程師Anatoly Moldovansky 說(shuō)，“由于1588允許實(shí)施分布式時(shí)間同步，因此我們可將跨多個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式控制活動(dòng)確定為時(shí)間的函數(shù)”。他同時(shí)還補(bǔ)充說(shuō)，樣機(jī)中將借助以太網(wǎng)而實(shí)現(xiàn)的1588與分布式運(yùn)動(dòng)一起使用，證明可靠而且精確。硬件輔助電路在主、從時(shí)鐘之間提供百分之一百納秒的抖動(dòng)精度。
“在數(shù)據(jù)輸入時(shí)取代進(jìn)行反應(yīng)的是，基于IEEE 1588 的網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以確定其動(dòng)作的時(shí)間，而這能以更小的帶寬及更低的抖動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效的通信與控制”，ACIG 的 NetLinx 產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Doug McEldowney說(shuō)。 加速應(yīng)用
在另一實(shí)時(shí)以太網(wǎng)項(xiàng)目中，Beckhoff自動(dòng)化公司最近開(kāi)發(fā)出一種名為RTEthernet 的概念，這是一種能利用7微秒報(bào)文來(lái)使其 TwinCat 軟件與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器卡進(jìn)行通信的軟件。盡管它可能長(zhǎng)達(dá)1500 字節(jié)，但最短的報(bào)文只含有 46個(gè)字節(jié)，足以用來(lái)指示 368個(gè) I/O 點(diǎn)狀態(tài)，而且對(duì)于一個(gè) I/O 時(shí)鐘來(lái)說(shuō)一般已經(jīng)夠用。為將這一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與其他網(wǎng)絡(luò)流量分開(kāi)，TwinCat 的I/O 系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)相關(guān)對(duì)輸入以太網(wǎng)幀進(jìn)行過(guò)濾，并將時(shí)間敏感性較低的 TCP 消息存入緩沖器中。RTEthernet 概念的策略是避免產(chǎn)生TCP/IP及UDP/IP 開(kāi)銷(xiāo)，并利用其網(wǎng)絡(luò)卡上的MAC-ID地址來(lái)將控制數(shù)據(jù)直接路由給設(shè)備。
除能保證速度外，RTEthernet 概念還能幫助提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的靈活性。例如，為將交聯(lián)聚乙烯（PEX）裝管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)從PLC升級(jí)到基于PC的自動(dòng)控制系統(tǒng)，Uponor Wirsbo公司最近選擇了 Beckhoff公司基于 RTEthernet 的 BK9000以太網(wǎng)總線耦合器。該公司將 Beckhoff 的 C3640 PC用作主控器，并運(yùn)行由 Uponor自行開(kāi)發(fā)的 Visual Basic（VB）軟件。這種程序通過(guò)施耐德電氣公司的 Modbus TCP 以太網(wǎng)協(xié)議及 BK9000而與各種 I/O信號(hào)相連，從而形成一個(gè)通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)將控制信號(hào)傳給C3640的分布式以太網(wǎng)I/O接口。 uploadfiles/200451414425583466.jpg[/upload]
[uploaUponor 公司的電氣工程師 Luther Kemp 說(shuō)，他的公司需要一種通用且標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制其眾多的機(jī)器設(shè)備。“如果、并且當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，這種方式為我們提供了調(diào)換故障部件的靈活性”，Kemp說(shuō)，“我們能將 I/O 模塊構(gòu)建成我們需要的形式。而基于PC的以太網(wǎng)系統(tǒng)，例如 Beckhoff 提供的系統(tǒng)，可提供無(wú)限的編程能力。它為我們提供編寫(xiě)設(shè)備控制程序、創(chuàng)建定制用戶界面、以及收集溫度及處理速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的廣闊機(jī)會(huì)”。
同樣，系統(tǒng)集成商--Paine Machine Tool公司（加拿大Delta, B.C.）最近用DNC解決方案對(duì)其16臺(tái)CNC機(jī)器進(jìn)行了升級(jí)，該方案包括由Quatech公司提供的 Thin Q以太網(wǎng)串聯(lián)設(shè)備服務(wù)器（ESDS）。這些服務(wù)器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并將串行數(shù)據(jù)積累在緩沖器中，然后再將其用數(shù)據(jù)包的形式發(fā)出，以減少以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量。由于CNC機(jī)器一般從所連接的PC或LAN上“點(diǎn)滴（drip fed）”命令，因此這些數(shù)據(jù)包有時(shí)能潛在地引入不需要的等待時(shí)間。d=jpg]
ThinQ 采用一種軟件可選的超低等待時(shí)間設(shè)置來(lái)解決這一問(wèn)題，這種設(shè)置允許 Paine 的 CNC機(jī)器一收到數(shù)據(jù)即以“位接位”的方式來(lái)發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。Quatech報(bào)告在最小2.16毫秒、最大71毫秒及平均2.5毫秒時(shí)間上測(cè)得的該設(shè)置的SDS功能�！斑@真的能為網(wǎng)絡(luò)流量最小化提供幫助”, Quatech 公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理David Johnson 說(shuō)，“尤其在應(yīng)用具有多臺(tái)設(shè)備的時(shí)候，重要的是不給最重要的數(shù)據(jù)造成瓶頸”。 硬件效率 = 速度
Phoenix Contact公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Larry Komarek補(bǔ)充說(shuō)，可通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)配置成能進(jìn)行組播來(lái)提高實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的性能，這要優(yōu)于在某一時(shí)刻打開(kāi)與一臺(tái)設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單播通信。組播先使一組預(yù)先確定的設(shè)備上線，然后再將它們同時(shí)廣播。這也是一種在虛擬局域網(wǎng)（VLAN）常用的方法，并且它還有助于提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量。
McEldowney建議采用全雙工通信來(lái)為達(dá)到I/O層次的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)IGMP偵聽(tīng)功能，以便過(guò)濾這種組播數(shù)據(jù)。他同時(shí)還建議采用端口鏡像，這涉及在一臺(tái)交換機(jī)上將通信鏡像給第二個(gè)端口，以進(jìn)行診斷。“這有點(diǎn)像利用交換機(jī)來(lái)竊聽(tīng)通信，以反映正在進(jìn)行的操作”，McEldowney說(shuō)，“當(dāng)你指望通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行控制時(shí)，這很有用，但你可能需要更多的安全要求”。
其他一些與以太網(wǎng)交換機(jī)有關(guān)的效率包括可利用VLAN來(lái)隔離交換機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)流量，這使一臺(tái)12端口的交換機(jī)能被用作兩臺(tái)獨(dú)立的交換機(jī)。“但您必須保證您的交換機(jī)能跟得上網(wǎng)絡(luò)及其相連設(shè)備的線速”，他補(bǔ)充說(shuō)。
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