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以太网与确定性

作者:Michael B. Roche,施耐德电气自动化业务部首席技术市场营销专员2007.08.05阅读 6832

  在将以太网与业界公认具有确定性的其他现场总线进行比较时,就会产生关于以太网与确定性的激烈争论。有些人认为相比其他专用工业现场总线系统,工业以太网系统的确定性不够。我们在此将分析确认工业以太网在一些通常条件下实际上是具有确定性的。
  首先,我们必须研究确定性的定义。确定性系统被认为是可以预测的,例如,污水处理系统可以是应用响应时间为500 ms的稳定而可预测的确定性系统,而多轴CNC运动系统则可能要求应用响应时间为1 ms。以上两例说明,确定性是每种特定应用中随客户和过程要求变化的因素。确定性的实质是适应当前应用要求的每一次运行均具备可预测性和一贯性。
  许多系统都宣称自己具备确定性,但如果仔细研究,以太网的确定性可以胜过其中最好的系统。以一种分布式输入/输出系统(DIO)为例,其从属I/O控制器必须由一个主PLC控制控制工程网版权所有,DIO系统中的通信丢失将导致进程失控。由于改变DIO ART(应用响应时间)性能预期的网络变更造成的任何延迟都可能引发问题CONTROL ENGINEERING China版权所有,仅仅由于添加或移除了某个设备,或者以附加电缆延长网络都可能需要不可预测的逻辑及时间变更。
  尽管每种现场总线均有其数据包负荷,以太网还是能够在

扩展工序和车间网络与减少网络负荷及性能损失方面寻求最佳的平衡点。其他现场总线由于有节点和设备数量的限制,进行扩展时必须以非常严格的方式付出成本。
  本文研究网络传输组件,并对以太网与目前被广泛认为是确定性系统的其他现场总线系统进行功能比较。

  现场总线比较
  多数被视为确定性的分布式输入/输出(DIO)现场总线系统均为逻辑环/物理总线令牌传递型网络,如Profibus、Modbus Plus等。以Modbus Plus DIO为例,假设PLC请求或I/O设备响应传输时间固定,则可以计算出传输消息请求或响应所需的时间。而在Profibus等其他确定性网络中,随着网络长度超出特定的网络长度边界,传输时间将由于传输速度的降低而延长。在这些例子中,现场总线本身仍然被视为确定性,因为任意两个给定节点之间的网络传输消息交付时间是可以计算和稳定的。
  以太网最初是一种总线连接型网络,它由于随机、不确定性而被弃用控制工程网版权所有,被视为不适用于许多工业应用场合。因为CSMA/CD以太网可能由于MAC层冲突后退算法重发定时器而导致消息传输时间变化,且存在过多的冲突导致消息在MAC层被放弃的可能性,以太网要依赖于更高层的协议(如TCP)或应用程序来重发消息。这一点曾经是以太网与现有作为基准的确定性现场总线竞争的一大劣势。
  而以太网已经有了很大的发展,网络访问和总线争用等障碍已经被排除。由于1995年Kalpana引入的以太网交换技术,以及IEEE 802.3x全双工标准,冲突和总线争用已经有了解决办法。以太网上任何以全双工方式运行的设备都可以在任何时候同时进行发送和接收,而没有冲突的风险。在全双工运行中,以太网CSMA/CD冲突不需要,因而被禁用了。
  将以太网与现场总线在数据量、设备数量和网络距离等方面进行比较控制工程网版权所有,以太网具备若干优势。在设备数量方面,以太网通过采用IP子网掩码,对终端设备数量没有实质性限制。例如,采用24个主位和8位子网掩码的A类网络可以提供超过1670万个节点地址,我们可以认为这是一个实际上不会达到的子网规模。在点对点消息分发方面,每个节点都能够与其他任何节点直接通信。由此,询问或响应消息的传输不会受到网络上设备数量的显著影响,因为在交换式以太网中没有令牌传递拓扑中所采用的顺序消息分发。采用令牌传递的逻辑环式现场总线必须将令牌顺序发至每个设备,因此响应时间会随设备数量的增加而增加。
  在上面的简单比较中,以太网比现有的现场总线具有很大的优势,但仍然有可能影响以太网传输确定性的因素。下面我们将分析这些影响,并研究可以用来在经过适当组合的工业以太网网络中抵消这些影响的方法。
  在专用的现场总线/令牌传递系统中,网络流量通常局限在特定的消息类型和网络设备间的顺序流动中。而在以太网系统中www.cechina.cn,某些可以灵活实现自由形式点对点通信的消息可能需要进行广播,以确定构成完整消息请求的所需资源的位置。地址解析协议(ARP)是用于将以太网硬件MAC地址与逻辑软件栈IP 地址绑定的辅助协议。ARP请求在设计中是要向IP子网或VLAN广播域上的所有设备广播的。但ARP请求及其他协议广播消息在过多时可能具备破坏性。处理广播请求是IP以太网的一项基本功能,即使ARP请求是针对另一终端设备时也是如此。其他许多通用协议(如NetBIOS或IPX)也会提供广播服务,它们有时也会产生与子网上其他所有NetBIOS主机反向的广播,在Microsoft Windows NetBIOS域或工作组主机浏览器选举发起时就是这种情况。还有一种情况是,一台配置在另一网络的主机试图定位其基本资源,错误配置的主站PC可

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