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实时工业以太网技术

Jim Montague,CONTROL ENGINEERING新闻编辑2004.02.09阅读 3927

  实现以太网实时性的技术不止一种www.cechina.cn,事实上,似乎有多种努力正在帮助以太网用于实时应用,其中最值得一提的是IEEE 1588标准,它用于在分布式网络中对时钟进行同步
  
  当在良好条件下单独运行时,以太网起动速度很快,且响应时间可达毫秒量级。但由于很多同样的原因(即所有通信、自动化和/或控制网络的应变能力有限),基于以太网的网络常常会停顿数毫秒或更长的时间。
  设备及I/O层上的数据采集与传输问题;低效交换、太多设备以及网络自身流量的不恰当协调;还有在上一层通信(如TCP及UDP)上进行的误差检测及翻译障碍等,都能从基于以太网的网络上占取宝贵的时间。这些延迟阻碍了以太网一些知名的优势被应用到离散与运动控制,以及其他高速应用中。
  “任何网络都将花费一定的开销,来作为捕获在网络上传输消息负载所需数据位的前同步或后同步信号。其负面效应是以太网的这种开销要远大于大多数协议的这种开销,特别在增加TCP/IP协议栈的时候;其正面效应是以太网传输数据的速度要比其他协议快很多”,CMC协会(Acton,MA)的首席执行官Dick Caro说,“比如,专用网络可以拥有16位的地址CONTROL ENGINEERING China版权所有,而以太网则拥有48
位地址,但它的速度如此之快以至于用户通常会将此弱点忽略不计。尽管如此,您也很难获得高于它所声称连网速度一半的速度,这意味着如果设备连网速度为100 Mbps,则其总的有效负载速度将接近50 Mbps”。
  幸运的是,已经开发出几种用来提高以太网相关组件及软件速度的有用方法,而且还在开发更多这样的方法。其中一些方法利用创新技术来使网络通信更加顺畅,而另一些方法则只简单地寻求使数据发送及接收更为可靠。

  IEEE 1588的同步机制
  一种最有前途的实时以太网解决方案是IEEE 1588标准精确时间协议(Standard Precision Time Protocol,PTP),它定义了一种方法,用于对标准以太网或其他采用商用技术的分布式应用中的传感器执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。IEEE 1588最初由Agilent Laboratories(安捷伦实验室)(Palo Alto, CA)的John Eidson开发,并于2002年11月得到IEEE批准。
IEEE 1588的基本功能…如图1

  IEEE 1588的基本功能是用作对网络上其他所有设备进行同步的一种最精确时钟,Hirschmann Electronics 工业以太网产品开发部经理 Dirk Mohl 在他最近发表的论文--“IEEE 1588-- 一种充当自动化实时应用基础的精确时钟同步机制” 中说 。同时他还补充说,Hirschmann已经在它的Mice 模块化以太网交换机上测试了IEEE 1588 增强插件模块,并发现其同步精度在最大抖动时为±100纳秒www.cechina.cn,且主、从时钟之间偏移量的频率分布总计为23.95纳秒,平均为-4.248纳秒。
结果已有数家制造商…如图2

  结果,已有数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(开放式网络设备供应商协会,ODVA),它们正在将1588与其称为CIP Sync(CIP同步)项目中的CIP(Common Industrial Protocol)及 EtherNet/IP 协议进行集成。在最近发表的一篇题为“IEEE 1588 在分布式运动控制系统中的应用”一文中,3位来自Rockwell Automation工程师宣布,他们已经在分布式控制系统样机中使用了1588,这种控制系统包括 3个运动控制器控制工程网版权所有,每一控制器都利用一块 SERCOS卡并通过 SERCOS 与一个驱动器相连,且每个驱动器都被当成是运动的一个轴,但其中一个被指定为主轴,而另两个则被指定为从轴。
  由于主轴控制器周期性地向每一从轴控制器发送位置参考信息,因而使每一从轴都能与主轴以一比一的比率相咬合。所有节点上的时钟(运行于50 MHz PowerPC CPU上)通过1588并借助以太网而被同步。基本运动操作要求每一节点上运行的运动任务都能彼此同步,而节点间进行的交易则基于一种同步定期更新循环,这种机制也被用于控制器至驱动器、以及控制器至控制器之间的信号交换。为同步系统中的所有运动,而将运动任务及位置更新循环同步在1588时钟上。
  Rockwell Automation ACIG首席工程师Anatoly Moldovansky 说,“由于1588允许实施分布式时间同步,因此我们可将跨多个节点的分布式控制活动确定为时间的函数”。他同时还补充说,样机中将借助以太网而实现的1588与分布式运动一起使用,证明可靠而且精确。硬件辅助电路在主、从时钟之间提供百分之一百纳秒的抖动精度。
  “在数据输入时取代进行反应的是CONTROL ENGINEERING China版权所有,基












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