《電子技術(shù)應用》
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如何設(shè)計工業(yè)以太網(wǎng)的實時性
工業(yè)以太網(wǎng)
劍思庭博客
摘要: 實時表示系統(tǒng)在一個確定時間內(nèi)處理外部事件。確定性意味著系統(tǒng)具有一個可預知的響應。實時通信的一般要求:
關(guān)鍵詞: 以太網(wǎng) 實時通信
Abstract:
Key words :

實時表示系統(tǒng)在一個確定時間內(nèi)處理外部事件。確定性意味著系統(tǒng)具有一個可預知的響應。實時通信的一般要求:

確定性的響應;

標準應用的響應時間<=5ms;

以太網(wǎng)實時通信應對設(shè)備處理器造成小的負擔,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,同時應減量減少通訊時間。圖1表明了哪些因素影響通訊周期。

實現(xiàn)通信的一種方式使用標準通信協(xié)議,例如TCP/IP或者UDP/IP等,然而使用它們會帶來缺點:幀過載會增加幀的長度,因而會引起線路上傳輸時間的增加見圖2。此外,對應的通信棧需要占用處理器相對長一點的計算時間,因而會導致發(fā)送周期增加。

 

通過對發(fā)送器和接收器的通訊棧的優(yōu)化,可以使更新率有相當大的改觀,而且處理器負載也會相應減少。然而,對通信棧的運行時間的優(yōu)化也就意味著此時的TCP/IP通訊棧不再是一種標準協(xié)議,而只是一種專門的實現(xiàn)方式了,對UDP/IP實現(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),對于這種應用,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,所以就會失去路由功能。但是作為工業(yè)一級以太網(wǎng)設(shè)計中盡量不要設(shè)計路由器,因為這會大大降低通信速度。

例如profinet就使用了優(yōu)化的通信通道進行實時通信,因此保證了一個網(wǎng)絡(luò)中不同站點之間在一個極短的時間段內(nèi)進行時間要求苛刻的數(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)控制器上實現(xiàn)實時通信通道。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地址來實現(xiàn)的,而是使用接受設(shè)備的MAC地址。實時通信允許精確限定(預測)傳輸時間,并能保證其它標準協(xié)議TCP/IP可以在同一個網(wǎng)絡(luò)上使用而不會產(chǎn)生問題。

 

任務(wù)

標準通信

實時通信

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

實時協(xié)議/等時同步實時協(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

 

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

 

實時類型1:適合周期數(shù)據(jù)傳輸;對所有使用的交換機沒有特殊要求。

實時類型2:適合中斷數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)傳輸,此時需要工業(yè)交換機,然而,在組態(tài)的時候還不需要對通信進行規(guī)劃。

實時類型3:適合運動控制應用的周期數(shù)據(jù)傳輸。這個時候需要工業(yè)交換機,而且還需要對通信進行明確的規(guī)劃。

 

 

在沒有實時性需求的數(shù)據(jù),可以在標準的通道上傳輸見表2

 

 

標準通道

標準數(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

實時通道

-實時類型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

-實時類型3

 高性能數(shù)據(jù)傳輸

 等時同步數(shù)據(jù)

 抖動時間<1uS

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