因为以太网在物理性上为实时运用扩展出新的尺度,可进行高速数据传输,其性能超过了现在我们所使用的现场总线。集成系统的出现,它可从高性能升级到等时(isochrone)方式,而且允许任何时间的无限TCP/IP访问,Profinet V3将硬实时和IT相连CONTROL ENGINEERING China版权所有,将成为工业通信的里程碑。
实时的要求
在自动控制中,实时通信的要求在很大程度上主要由具体应用决定,并由响应时间体现其特性。在大多数的厂商中,响应时间一般在10至100 ms之间,可与如今的以太网和相应的软件驱动时间相匹配。
然而,随着等时方式在机械装备业的不断应用,在动态特性上提出了更高要求,不能单靠纯软件解决。在标准状态下,以太网就不再能保证其数据传输的特性。
2001年10月,VDMA就"自动控制中的以太网"为题,概括性地总结了机械装备业的要求。机械装备业的驱动控制系统的基准是1μs的抖动、1 ms的循环时间和保证条件。有了无限制IT的开放性,就给Profinet V3提出
交换技术是未来
在办公室环境中,最初设计为总线系统形式的以太网早已经达到了它的极限,因为带宽常常不能满足连接大量节点和传输大量数据的要求。
这个问题最终使交换式以太网(Switched Ethernet)得到了发展。交换式以太网设计成点到点的连接方式,这是一项进步,为未来开拓了前景。以总线为基础的hub技术,因而不再继续发展。
未来型技术的概念必须有广泛的、普遍接受的基础,也必须是可扩展的。从这一点出发,转换技术毫无疑问具有优势:更高的数据传输率、全双工通信和无冲撞式数据传送功能,然而,也带来了非对称通信的损失,帧被缓冲在转换器中,他们所需要的时间的长度取决于网络负荷,在某些临界场合控制工程网版权所有,会导致帧的缺失。在实时应用中, 如果希望进行无限制TCP/IP通信和不同网络的通信,这一结果无疑将让人感到遗憾。
Profinet V3给所有这些关于同步实时性能的问题提供满意答案。交换式以太网构架也能满足运动控制的相关需求。
以太网IRT
当不同的设备在同一网络上使用时,实时以太网的优势显而易见。交换式以太网被扩展出一个特定信道(deterministic channel),称为IRT,它可与TCP/IP共存。为了达到运动控制所需的性能等级,它必需硬件的支持。
为获得高质量的同时(isochronous)通信,网络上的所有站(station),包括网络节点,都必须精确地同步。只有这样www.cechina.cn,才能避免不需要的影响,才能保证整个带宽的同时和同步部分所定义状态。串联的交换器的数量越多,同步的精确程度的重要性就越高。毕竟,通信系统本身必须与模块相匹配,必须选择一个分布的拓扑与各种串联的网络元件相连。
对于同时的实时以太网,交换器与通信周期同步,精确度在微秒级以下。这使自动控制机构能精确记录所有信道中时间参数CONTROL ENGINEERING China版权所有,使所有交换器在周期开始时保持高度同步。这需要第二层的硬件支持。较高层的软件为基础的解决方案会影响精确度,它会对抖动产生负面影响。
特定信道(Deterministic channel)
交换器的同步性使得可将通信周期分成两部分:特定部分和开放部分。只有周期的实时帧可通过特定信道传输,而TCP/IP帧只能通过开放信道传输。这个有点像交通中的机动车道,有客车专用道(实时通信),也有卡车(TCP/IP通信)专用道。
为实时通信留出的时间根据站的个数和需传输的周期数据量计算得出。
如果要保正无限制的开放性,就必须确保最大长度的TCP/IP帧。因而控制工程网版权所有,120 μs或以上的时间周期就必须保持100 Mbit/s TCP/IP的通信。总周期时间不小于250 μs的,就要考虑IRT了。
强大的性能
交换技术加强了高速传输的速率,但是,这种方法的缺点是帧必须在向前传输之前在交换器中保留一段时间。在这段时间中会对数据的传输有所影响。特殊的推进方法,如"剪切通过(Cut Through)",会对这种情况有所改善,但是只对长帧有效,而且是在假定传输通道空的情况下。
一种优化的推进方法是,完善同时实时以太网。实时数据就可以在几乎不中断的情况下传输,这对系统响应时间极为有利。
交换调整(switch-tuning)使100 Mbit/s传输和全双工模式成为可能,在现用的技术中,这几乎是不可能的。
因此,就有可能在小于1 ms的周期时间内或在小于1 μs的跳动时间内,同步100个以上的驱动轴,当然,要并联无限制TCP/IP通信。
开放性是一种规则
从一开始,IRT概念的重点就是开放性。实时扩展并没有影响其标准性。IRT交换器运