如何看待當下的工業(yè)以太網(wǎng)技術
之前我們提到了以太網(wǎng),并簡單描述了。
然而,既然已經(jīng)將以太網(wǎng)技術引入了工業(yè)領域,為什么大家還要煞費苦心的搞出好多專用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,而沒有沿用目前比較通用的以太網(wǎng)通訊標準(例如:TCP/IP、IEEE 802.3 ...)呢?以及,各家的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議,又有著怎樣的差異呢?
關于這個問題,我們首先還是得了解普通以太網(wǎng)的工作機制,和工業(yè)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)交互的實時性、確定性的要求。
我們知道,以太網(wǎng)的作用,其實是為設備間的數(shù)據(jù)交互提供了一種共享網(wǎng)絡通訊服務。然而,當多臺不同類型的設備連接在同一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中互相發(fā)送和接收各種數(shù)據(jù)信息時,就必定存在著潛在的傳輸沖突問題。這就好比很多人在一起開會,如果大家同時開口說話,就無法確保相互之間的有效溝通,因此必須事先預設一個溝通機制。
在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中,所有的節(jié)點共享傳輸介質(zhì),為了能夠保證有序、高效地為很多節(jié)點提供傳輸服務,在介質(zhì)訪問控制上通常會采用 CSMA / CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問技術(載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測),也就是我們經(jīng)常聽說的 IEEE 802.3 協(xié)議標準。
它的工作原理是:發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道是否空閑;若空閑,則立即發(fā)送數(shù)據(jù);若信道忙碌,則等待一段時間,至信道中的信息傳輸結束后再發(fā)送數(shù)據(jù);若在上一段信息發(fā)送結束后,同時有兩個或兩個以上的節(jié)點都提出發(fā)送請求,則判定為沖突;若偵聽到?jīng)_突,則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù),等待一段隨機時間,再重新嘗試 ... 這就好像我們開會時,要約定每個人在說話前必須先傾聽,只有等會場安靜下來后,才能夠發(fā)言。
然而,大家發(fā)現(xiàn)這其中的問題沒有,就是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中,避免數(shù)據(jù)傳輸沖突的方式居然是簡單的“等待”,完全無法保證重要的數(shù)據(jù)/指令在確定的時間內(nèi)及時收發(fā);這就好比會議中,即使再重要的發(fā)言,也都要等到別人說完之后才能開始,并且還不知道要等多久,雖然避免了沖突,但卻在一定程度上降低了重要信息的傳達效率。
通用以太網(wǎng)這種非實時、非確定性,對于一般信息層的網(wǎng)絡應用,往往算不上是什么太大的問題,因為在這些應用場合,人們對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間節(jié)點并不那么敏感,例如:我們通常不會太在意設備數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁畫面在加載更新時出現(xiàn)的幾毫秒或幾十毫秒甚至幾秒的延遲。
然而對于工業(yè)現(xiàn)場的產(chǎn)線設備,這種數(shù)據(jù)通訊的非確定性延時,就會嚴重的影響和制約其控制性能。尤其是在運控系統(tǒng)中,為了達到較高的動態(tài)響應特性,控制器與驅(qū)動器之間必須能以極為精準確定的時間周期進行位置/指令數(shù)據(jù)的高頻交互,而這恰恰是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術無法做到的,也是早期的脈沖串和 SERCOS 總線能夠長期統(tǒng)治運控江湖的主要原因。
于是,為了能夠讓工業(yè)設備中的控制器、傳感器和執(zhí)行器...等自動化組件之間的連接和通訊做到具備確定性和實時性,在將以太網(wǎng)的硬件介質(zhì)應用到工業(yè)控制領域的過程中,各大自動化廠商就分別基于已有的現(xiàn)場總線技術和信息/控制系統(tǒng),重新調(diào)整和規(guī)劃了工業(yè)以太網(wǎng)的通訊機制。
例如:ProfiNet IRT 就在每個數(shù)據(jù)周期中,單獨劃出了一個同步通訊時段,專門用于實時數(shù)據(jù)的傳輸;而一般非實時數(shù)據(jù)的通訊,則只能在標準數(shù)據(jù)時段中進行,一旦進入同步通訊時段,就會立即暫停這些數(shù)據(jù)的傳輸。這與會議過程中為重要議題單獨劃出一段時間、并中止一切自由討論,是類似的道理。
POWERLINK 則不僅將數(shù)據(jù)周期分割成同步和非同步時段,而且為了提升整個網(wǎng)絡的通訊效率,它還通過單一主站(MN)為每個從站(CN)分配了固定的時間槽,并采用輪詢機制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交換。當系統(tǒng)從 SoC 開始啟動等時同步傳輸后,MN 會按照分配好的時間槽逐一與每個 CN 進行一次數(shù)據(jù)交互。這相當于在會議中設定了一個主持人,與會者只能在規(guī)定好的時間節(jié)點和主持人進行單獨交談,而他們之間的交頭接耳則是絕對不允許的。
而 EtherCAT 則是采取了一種“數(shù)據(jù)列車”的通訊方式,從主站發(fā)出的數(shù)據(jù)包會按照順序沿各個從站節(jié)點接力傳遞,邊傳輸邊處理,最后返回到系統(tǒng)主站。在這個過程中,每個節(jié)點會按照自己的應用需要從“列車”上快速抓取數(shù)據(jù),并將已經(jīng)處理好要輸出的數(shù)據(jù)裝載到“列車”上。主站只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù),就能夠完成與各個從站之間的數(shù)據(jù)交換。同時,由于每個站點發(fā)送數(shù)據(jù)的目標節(jié)點都是確定的,數(shù)據(jù)包中的地址信息也因此被簡化了。
相比之下,EtherNet/IP 就沒有在數(shù)據(jù)傳輸和交互的時序/動作上給網(wǎng)絡中的設備設定什么限制,總體上還是沿用了通用以太網(wǎng)的基本協(xié)議規(guī)則。只是要求“發(fā)聲”設備(Producer 生產(chǎn)者)在發(fā)送數(shù)據(jù)時按照約定規(guī)則為數(shù)據(jù)貼上類別標簽,如:普通 I/O、運動控制、安全數(shù)據(jù)...,這樣,接收端(Consumer 消費者)就會在收到數(shù)據(jù)后根據(jù)其所屬類型的重要/緊急程度,決定是否接受優(yōu)先使用該數(shù)據(jù),或者稍后(甚至不做)響應。
目前市面上的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,除了上面提到的這些,其實還有很多,由于在實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時通訊方面采取了極為不同的技術策略,它們在實際應用中也往往會表現(xiàn)出一定的性能差異,如:傳輸速率、響應周期、拓撲結構、易用性,開放性...等等。
同時我們也必須注意到,我們現(xiàn)在看到的各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,基本上都是由相應的自動化廠商發(fā)起并作為“標準”進行推廣的,用戶對于網(wǎng)絡技術的選擇和應用體驗,很大程度上還是會受到其背后的產(chǎn)品架構和技術體系的影響。
所以,從某種意義上說,我們基本上可以將這些所謂的工業(yè)以太網(wǎng)定義為,基于通用以太網(wǎng)物理介質(zhì)的專屬工業(yè)現(xiàn)場總線;同時,由于具備了實時的數(shù)據(jù)交互能力,它們應該可以被稱作是第二代工業(yè)總線。
話說,第三代工業(yè)網(wǎng)絡通訊技術已經(jīng)來了...
責任編輯:售電衡衡
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