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提高以太網(wǎng)實(shí)用性的方法

發(fā)布時(shí)間:2023-10-24
隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍,再借助于相關(guān)技術(shù),可以從總體上提高以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的實(shí)用性。
1、采用交換技術(shù)
傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器,其結(jié)構(gòu)和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器,連接到共享式集線器上的所有站點(diǎn)共享一個(gè)帶寬,遵循csma/cd協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認(rèn)為是一個(gè)受控的多端口開(kāi)關(guān)矩陣,各個(gè)端口之間的信息流是隔離的,在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供了一個(gè)直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接。不同端口可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道,端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受csma/cd的約束。隨著現(xiàn)代交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展,交換機(jī)端口內(nèi)部之間的傳輸速率比整個(gè)設(shè)備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大,因而減少以太網(wǎng)的沖突率,并為沖突數(shù)據(jù)提供緩存。當(dāng)然交換機(jī)的工作方式必須是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式,這樣在系統(tǒng)中只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,不會(huì)出現(xiàn)碰撞。多個(gè)交換把整個(gè)以太網(wǎng)分解成許多獨(dú)立的區(qū)域,以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在,不同域之間沒(méi)有沖突,可以大大提高網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)站點(diǎn)的帶寬,從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和確定性。
交換式以太網(wǎng)沒(méi)有更改原有的以太網(wǎng)協(xié)議,可直接使用普通的以太網(wǎng)卡,大大降低了組網(wǎng)的成本,并從根本上解決了以太網(wǎng)通信傳輸延遲存在不確定性的問(wèn)題。研究表明,通信負(fù)荷在10%以下時(shí),以太網(wǎng)因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計(jì)。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,傳輸?shù)男畔⒍酁橹芷谛詼y(cè)量和控制數(shù)據(jù),報(bào)文小,信息量少,傳輸?shù)男畔㈤L(zhǎng)度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量、開(kāi)關(guān)與閥門的工作位置、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等。其長(zhǎng)度一般都比較小,通常僅為幾位到幾十個(gè)字節(jié),對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺Q芯勘砻?,在擁?000個(gè)i/o的典型工業(yè)控制系統(tǒng)中,通信負(fù)荷為10m以太網(wǎng)的5%左右,即使有操作員信息傳輸(如設(shè)定值的改變,用戶應(yīng)用程序的下載等),10m以太網(wǎng)的負(fù)荷也完全可以保持在10%以下。
2、采用高速以太網(wǎng)
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)(100m)和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),10g以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過(guò)提高通信速度,結(jié)合交換技術(shù),可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
3、采用全雙工通信模式
交換式以太網(wǎng)中一個(gè)端口是一個(gè)沖突域,在半雙工情況下仍不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式,同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個(gè)站點(diǎn)可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù),解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問(wèn)題,理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通信技術(shù)可以使設(shè)備端口間兩對(duì)雙絞線(或兩根光纖)上同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀,從而也不再受到csma/cd的約束,這樣,任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞,沖突域也就不復(fù)存在。對(duì)于緊急事務(wù)信息,則可以根據(jù)ieee802.3p&q,應(yīng)用報(bào)文優(yōu)先級(jí)技術(shù),使優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先進(jìn)入排隊(duì)系統(tǒng)先接受服務(wù)。通過(guò)這種優(yōu)先級(jí)排序,使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的緊急事務(wù)信息能夠及時(shí)成功地傳送到中央控制系統(tǒng),以便得到及時(shí)處理。
4、采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)
虛擬局域網(wǎng)(vlan)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的許多固有觀念,使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更靈活、方便。實(shí)際上,vlan就是一個(gè)廣播域,不受地理位置的限制,可以根據(jù)部門職能、對(duì)象組和應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個(gè)邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機(jī)的每一個(gè)端口只能標(biāo)記一個(gè)vlan,同一個(gè)vlan中的所有站點(diǎn)擁有一個(gè)廣播域,不同vlan之間廣播信息是相互隔離的,這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。工業(yè)過(guò)程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開(kāi)來(lái),使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)放平臺(tái)上做邏輯分割,將不同的功能層、不同的部門區(qū)分開(kāi),從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有靜態(tài)端口分配、動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡(luò)管理人員利用網(wǎng)管軟件或設(shè)備交換機(jī)的端口,使其直接從屬某個(gè)虛擬網(wǎng),這些端口將保持這樣的從屬性,除非網(wǎng)管人員重新設(shè)置;動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動(dòng)確定它們的從屬;多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個(gè)用戶或一個(gè)端口同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng),這樣可以將一臺(tái)控制層計(jì)算機(jī)配置成多個(gè)部門可以同時(shí)訪問(wèn),也可以同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源。
5、引入質(zhì)量服務(wù)(qos)
ip qos是指ip的服務(wù)質(zhì)量(quality of service),亦即ip數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能,它的目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。qos有一套度量指標(biāo),包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。qos網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分實(shí)時(shí)-非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),在工業(yè)以太網(wǎng)中采用qos技術(shù),可以識(shí)別來(lái)自控制層的擁有較高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù),并對(duì)它們優(yōu)先處理,在響應(yīng)延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級(jí)等方面,使工業(yè)以太網(wǎng)滿足工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制要求。另外,qos網(wǎng)絡(luò)還可以制止對(duì)網(wǎng)絡(luò)的非法使用,譬如非法訪問(wèn)控制層現(xiàn)場(chǎng)控制單元和監(jiān)控單元的終端等。
此外,還出現(xiàn)了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議的改進(jìn)。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡(luò),不僅使現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成,更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本,以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的,因此著名廠商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如 rockwell、omron等公司支持ethernet/ip,ip是指工業(yè)協(xié)議,它提供producer/consumer模型,將controlnet和devicenet的控制和信息協(xié)議的應(yīng)用層移植到tcp。ff制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議hse提供了發(fā)布方/定購(gòu)方、對(duì)象等模型,主要用于工程控制領(lǐng)域,受到了foxboro、honeywell等一些大公司的支持。 由schneider公司發(fā)布的modbus/tcp協(xié)議將modbus協(xié)議捆綁在tcp協(xié)議上,易于實(shí)施,能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。
為了提高實(shí)時(shí)性,以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進(jìn)。一種完全基于軟件的協(xié)議rether(real time ethernet)可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件的情況下確保實(shí)時(shí)性,它采用一種混合操作模式,能減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響;非競(jìng)爭(zhēng)的容許控制機(jī)制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節(jié)點(diǎn)故障而引起的令牌丟失。遵守rether協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以csma和rether兩種模式運(yùn)行。在實(shí)時(shí)對(duì)話期間,網(wǎng)絡(luò)將透明地轉(zhuǎn)換到rether模式,實(shí)時(shí)對(duì)話結(jié)束后又重新回到csma模式。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫rtcc(real time communication control),為分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。rtcc是加在ethernet之上的一層協(xié)議,能提供高速、可靠、實(shí)時(shí)的通信。它不需要改變現(xiàn)有的硬件設(shè)備,采用命令/響應(yīng)多路傳輸和總線表兩種新穎的機(jī)制來(lái)分配信道。所有節(jié)點(diǎn)在rtcc協(xié)議中被分為總線控制器(bc)和遠(yuǎn)程終端(rt)兩類,bc只有一個(gè),其余都是rt。信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由bc承擔(dān),訪問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程都是由bc來(lái)實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)兩個(gè)過(guò)程的集成與同步,不僅節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間是確定的,而且節(jié)點(diǎn)使用總線的時(shí)間也可控。在10mbps以太網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)表明,rtcc有令人滿意的確定性。第三種改進(jìn)實(shí)時(shí)性的方法是流量平衡,即在udp或tcp/ip與ethernet mac之間加一個(gè)流量平衡器。作為它們之間的接口,它被安裝在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。在本地節(jié)點(diǎn),它給予實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包以優(yōu)先權(quán)來(lái)消除實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息的競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)平衡非實(shí)時(shí)信息,以減少與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息之間的沖突。為了保證非實(shí)時(shí)信息的吞吐量,流量平衡器還能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況調(diào)整數(shù)據(jù)流產(chǎn)生率。這種方法不需要對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)ethernet mac協(xié)議和tcp或udp/ip作任何改動(dòng)。
因此,針對(duì)以太網(wǎng)排隊(duì)延遲的不確定性,通過(guò)采用適當(dāng)?shù)牧髁靠刂?、交換技術(shù)、全雙工通信技術(shù)、信息優(yōu)先級(jí)等來(lái)提高實(shí)時(shí)性,并改進(jìn)了容錯(cuò)技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)以及冗余結(jié)構(gòu),以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上,20世紀(jì)90年代中后期,國(guó)內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng),推出了基于以太網(wǎng)的dcs、plc、數(shù)據(jù)采集器,以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表、顯示儀表等產(chǎn)品。
隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的日趨成熟,在工業(yè)通信和自動(dòng)化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和tcp/ip協(xié)議作為最主要的通信接口和手段,向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性方向發(fā)展將是各種控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛、成長(zhǎng)最快的局域網(wǎng)技術(shù),在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時(shí),基于ip的全程一體化尋址,為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn)、共享、高速的信息化通道解決方案,也必將對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
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