以太網協議實時性的設計方案

　　這種解決方法就是由德國倍福公司提出的EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）。它得到了ETG組織的支持，是一個可用于現場級的超高速I/O網絡，使用標準的以太網物理層和常規的以太網卡，傳輸介質可以是雙絞線或光纖。拓撲結構可以是線型、樹型和星型結構。EtherCAT使網絡性能達到一個新的境界，可以在30 μs內處理1 000個I/O的刷新，包括循環的時間；可以在一個以太網幀中交換多達1 468個字節的協議數據（這幾乎相當于12 000個數字的輸入或輸出），且僅需300 μs。同時，采用IEEE1588標準規定的精確時間同步機制實現分布時鐘精確同步，保證了控制器的同步時間偏差小于1 μs。

　　EtherCAT報文幀格式采用標準以太網的幀頭和幀尾，且幀頭中Type段的值為0x88A4時，是一個唯一識別EtherCAT報文的標志。EtherCAT的報文直接包括在以太網數據中，且在數據區域并不是只有一個EtherCAT的報文，而是包括n個報文。n表示在系統中所包含的節點的個數。每個報文中包括幀頭、數據和WKC（WorKing Counter）,用于記錄通過報文可以成功尋址的設備數量。EtherCAT報文幀格式如圖3所示。

　　圖3 EtherCAT報文幀格式

　　EtherCAT突破了其他以太網的解決方案的限制，不必在每個連接點接收以太網數據包，然后進行解碼并復制為過程數據。而且為了避免通信總線傳輸的延遲，德國倍福公司率先在EtherCAT中使用了FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）前沿技術。整個系統只有一個主站用于系統的控制，其他的都是從站，當數據報文從主站被發出以后，每個從站中的FMMU就可以讀出數據報文中指定到此的數據。同樣，輸入數據可以在數據報文通過時插入到報文中，報文僅有幾ns延遲。網絡內的最后一個從站向主站發送一個完整的幀，以形成和創建一個物理和邏輯環。EtherCAT還通過內部優先級系統，使實時以太網幀比其他的數據（如組態或診斷數據等）具有更高的優先級。組態數據只在傳輸實時數據的間隙中傳輸（如果時間間隙足夠傳輸），或者通過特定的通道傳輸[3]。

　　在同步方面，EtherCAT采用IEEE1588標準中定義的精確時鐘同步機制，通過一個同步信號周期性地對網絡中所有站點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網的分布式運動控制系統達到精確同步。這在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，而分布時鐘的精確校準是同步的最有效解決方案。在EtherCAT中，數據交換是完全基于硬件“主時鐘”和“子時鐘”的。每個時鐘可以簡單和準確地確定另一個時鐘的實時偏移量，分布時鐘基于該值進行調整，這意味著它可以在網絡范圍內提供信號抖動小于1 μs的、非常精確的時鐘基。而且高性能分布時鐘不僅可以用于同步，還可以用于提供數據采集時本地時間的精確信息。同時，EtherCAT引入了時間戳數據類型作為擴展，使得對于速度的精確計算比自由同步誤差測量技術更加精確。

　　EtherCAT作為一種可用于現場級的超高速的I/O網絡，在技術方面已經開發出專用的芯片和從站控制器，也已經成為IEC617842標準的一部分。

　　2.3 網段分隔和通信調度管理

　　《EPA通信標準》是我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準，全稱是《用于工業測量與控制系統的EPA通信標準》。它是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、清華大學和大連理工大學等單位聯合成立的標準起草小組，經過3年多的技術攻關，而提出的基于工業以太網的實時通信控制系統解決方案。

　　在EPA系統中，將控制網絡劃分為若干個控制區域，每個控制區域為一個微網段。這種方案能夠完全避免沖突的發生，每個微網段通過EPA網橋與其他網段分隔，該微網段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。處于不同微網段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網橋轉發控制。EPA網橋至少有2個EPA接口，當它需要轉發報文時，首先檢查報文中的源IP地址、目的IP地址和EPA服務標識等信息，以確認是否需要轉發，并確定報文轉發路徑。因此，任何廣播報文的轉發也將受到控制，不會發生采用一般交換機所出現的廣播風暴。這一方案比單純集線器方式的反應速度更快,抖動也更小。

　　2.3.1 實時問題的解決方案

　　為了提高網絡的實時性能，EPA對ISO／IEC8802.3協議規定的數據鏈路層進行了擴展，增加了一個EPA通信調度管理實體（Communication Scheduling Management Entity,CSME）。CSME不改變IEC8802.3數據鏈路層提供的服務，也不改變與物理層的接口，只是完成對數據報文的調度管理，包括周期報文和非周期報文的調度。對于非周期報文，CSME不作任何處理直接傳輸；而對于周期性的報文，則要先根據事先組態好的控制程序和優先級大小，傳送給數據傳送設備，經過處理后再傳到網絡上，以避免同時向網絡上發送數據，產生報文沖突。

　　2.3.2 通信調度機制

　　在周期報文傳輸階段，每個EPA設備向網絡上發送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過程有關的數據，例如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊I／O之間需要按周期更新的數據。周期報文發送的優先級應為最高。

　　在非周期報文傳輸階段，每個EPA設備向網絡上發送的報文包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀/寫數據、事件通知和趨勢報告等，以及ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP和IGMP等應用數據。非周期報文按其優先級高低，IP地址大小及時間有效方式發送。EPA通信周期如圖4所示。

　　圖4 EPA通信周期

　　目前為止，EPA標準也是IEC617842標準的成員，且在產品開發和工程應用上取得了較好的基礎，已開發出EPA變送器、執行器、現場控制器、數據采集器、遠程分散控制站等產品，基于EPA的分布式網絡控制系統也已在化工廠得到成功的應用。

　　結語

　　本文所介紹的3種實時以太網的解決方案是目前市場上應用較廣和關注度較高的新型實時以太網方案。它們都在自己的方案中引入獨特的技術，來解決標準以太網用于工控領域不能滿足實時性要求的問題，打破以太網應用于控制系統現場級的瓶頸。在工業現場級通信中，以前的現場級標準一直沒能統一，希望在未來實時以太網技術能夠向統一的、更深的方向發展。