各主流工業(yè)以太網(wǎng)可行性評估

1、 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng) 可行性評估1 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的特點(diǎn)和要求A 實(shí)時(shí)通信, 以太網(wǎng)用于采用CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制,而具有通信不確定的特點(diǎn)，并一度成為它應(yīng)用于現(xiàn)場總線的主要障礙.實(shí)時(shí)性,即確定性通信,現(xiàn)場設(shè)備之間的時(shí)間同步行為.整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是否合符要求是指網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的所有報(bào)文在指定的時(shí)間內(nèi)都能獲得響應(yīng).整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性必須滿足下列三個(gè)時(shí)間的約束條件 a 每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得通信權(quán)的時(shí)間必須有上限.防止某一節(jié)點(diǎn)長時(shí)間占用總線而導(dǎo)致其他各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性惡化 b 保證在某一固定的時(shí)間周期內(nèi) 網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會去的通信權(quán). 以防止個(gè)別節(jié)點(diǎn)因長時(shí)間得不到通信權(quán)而喪失實(shí)時(shí)性 c 對

2、于緊急任務(wù),有比較高優(yōu)先權(quán),即滿足緊急任務(wù)和重要節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性B 穩(wěn)定性和可靠性在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境,仍然有較高的性能. 這就需要以如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等來設(shè)計(jì)工業(yè)以太網(wǎng)2 主流實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù) Ø 各主流實(shí)時(shí)以太網(wǎng)所占市場份額及其簡介 (基于WWW.MSRESERCH.COM 網(wǎng)站 2014 數(shù)據(jù) ) a Ethernet/IP CIP: 24% . 是一種基于OSI 應(yīng)用層修改的軟件形式的協(xié)議. 有較高的數(shù)據(jù)通過率,適用于網(wǎng)關(guān)和交換設(shè)備的應(yīng)用，實(shí)時(shí)性有一定的限制，但是卻完全兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)b PROFINET：25%. 是新一代的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn),分為

3、三種V1,V2,V3. 即 ProfinetCBA, ProfinetIO 和 Profinet IRT. V1采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議,V2和V3 不采用TCP/IP協(xié)議,采用另外的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議,V3采用自己的數(shù)據(jù)鏈路層,通過一個(gè)高精度的時(shí)間來控制,所以不能兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)c POWERLINK：7%. 由主站MN和從站 CN構(gòu)成,系統(tǒng)由主站SOC開始啟動(dòng)同步傳輸,由主站為每個(gè)CN分配固定的時(shí)間槽,通過這一機(jī)制來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換. 總體來說PL物理層和數(shù)據(jù)鏈路層使用了Ethernet介質(zhì)，但PL添加了另外一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層在結(jié)構(gòu)上位于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層之上,有軟件的方式?jīng)Q定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而非由M

4、AC決定，所以PL網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不能使用交換機(jī)只能使用HUB, PL應(yīng)用層保留了SDO和PDO對象字典的結(jié)構(gòu)，可兼容以太網(wǎng).d ETHERCAT: 6%. 采取一種”數(shù)據(jù)列車”的方式, “邊傳輸邊處理”的方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送到各個(gè)從節(jié)點(diǎn),然后再回到主站,任務(wù)的處理將在下一個(gè)周期里完成,主節(jié)點(diǎn)通常采用PC,而從節(jié)點(diǎn)背板間采用LVDS-低壓差分驅(qū)動(dòng)信號傳輸方式,可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)交換,同時(shí)意味著從站需要特殊的硬件,不能兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)e MODBUS:13%. 一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議,包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型，協(xié)議本身并沒有定義物理層，只是定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)f Other

5、: 25%.Ø 各實(shí)時(shí)以太網(wǎng)性能評估及其特點(diǎn)比較A Ethernet/IP CIP 應(yīng)用前景: 因?yàn)槭且环N應(yīng)用層的協(xié)議.所以目前主要優(yōu)勢在于大多數(shù)用戶可以利用吸納現(xiàn)有的以太網(wǎng)技術(shù)知識和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施組建網(wǎng)絡(luò).從而使組網(wǎng)費(fèi)用大大降低.主要是缺乏實(shí)時(shí)性和確定性、報(bào)文利用率低、回路供電、實(shí)時(shí)性環(huán)境適應(yīng)等問題。以太網(wǎng)采用的CSMA/CD 協(xié)議，不支持優(yōu)先級。報(bào)文頭部比較大，載荷數(shù)據(jù)相對較少，相對現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的一些現(xiàn)場總線協(xié)議而言，報(bào)文利用率較低?？偩€上無電源。這不但增加了重新購買電源和布置電源線的費(fèi)用，而且現(xiàn)有以太網(wǎng)線比現(xiàn)場總線更容易受到電磁干擾。缺乏工業(yè)級的接插件。由于工業(yè)現(xiàn)場存在的腐蝕性氣體，

6、震動(dòng)、維修和檢測時(shí)的經(jīng)常拔插等問題。因此需要一種通用工業(yè)級接插件。但是工業(yè)級接插件的引入勢必增加設(shè)備的投資。所以，目前EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用主要是在自動(dòng)化領(lǐng)域的信息層和控制層。在設(shè)備層則使用ODVA 支持的ControlNet DeviceNet現(xiàn)場總線，利用總線在設(shè)備層的抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)作為以太網(wǎng)的補(bǔ)充開源代碼: 暫時(shí)未找到FPGA&C 開源代碼及其實(shí)例,需授權(quán). 循環(huán)周期: 100us協(xié)議簡介: 協(xié)議模型EtherNetIP在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng)。其主要由以太網(wǎng)控制器芯片來實(shí)現(xiàn). EtherNetIP在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用標(biāo)準(zhǔn)的TCPIP技術(shù)。對于面向控制

7、的實(shí)時(shí)I0數(shù)據(jù)，采用UDPIP協(xié)議來傳送，而對于顯式信息(如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等)則采用TCPIP來傳送過程監(jiān)控層流通的數(shù)據(jù)基本是顯式信息，采用TCPIP來傳送，其優(yōu)先級較低.協(xié)議的核心為一種為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議-CIP.CIP根據(jù)對數(shù)據(jù)對時(shí)間的苛刻性分為顯式報(bào)文和隱式報(bào)文. 顯示報(bào)文即我們所說的異步數(shù)據(jù).隱式報(bào)文即對時(shí)間要求苛刻的周期性數(shù)據(jù).傳輸層DeviceNet會給隱式報(bào)文添加優(yōu)先級較高的報(bào)頭,而ControlNet會在預(yù)定時(shí)間段用UDP發(fā)送隱式報(bào)文,非預(yù)定時(shí)間段用TCP發(fā)送顯示報(bào)文CIP的通信模式為生產(chǎn)/消費(fèi)模式,即允許網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)存取同一個(gè)源的數(shù)據(jù),每一個(gè)數(shù)據(jù)源一次性把數(shù)

8、據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,其他節(jié)點(diǎn)選擇性的讀取數(shù)據(jù).隱式報(bào)文傳輸需先建立隱式連接在進(jìn)行傳輸來提高傳輸效率,顯示報(bào)文傳輸則可以實(shí)行無連接通信或者顯示連接通信.硬件框架例程:例程系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以S3C2410為核心，外圍擴(kuò)展了64MbitsSRAM、64Mbits NAND FLASH、以太網(wǎng)控制器件CS8900、RS232串口、I/O接口、JTAG程序?qū)崟r(shí)仿真接口等。系統(tǒng)總體硬件如圖B PROFINET應(yīng)用前景：PROFINET分為三種通訊方式：TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊,RT通訊,IRT通訊. 前兩種的循環(huán)周期分別在100 ms和510 ms，主要應(yīng)用在工廠自動(dòng)化. IRT通訊的循環(huán)周期小于1ms，主要應(yīng)用在運(yùn)

9、動(dòng)控制開源代碼:暫時(shí)未找到FPGA&C 開源代碼及其實(shí)例,需授權(quán). 循環(huán)周期：< 1 ms協(xié)議簡介: 協(xié)議模型Profinet 通過軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)方案對OSI參考模型第二層進(jìn)行優(yōu)化.數(shù)據(jù)包的尋址方式不是通過IP地址實(shí)現(xiàn),而使用接收設(shè)備的MAC. PROFINNET應(yīng)用層講數(shù)據(jù)劃分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則采用優(yōu)化過的實(shí)時(shí)通道進(jìn)行傳輸硬件框架例程:例程系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以ARM946E-S CPU為核心，外圍擴(kuò)展了閃存用于軟件堆棧 擴(kuò)展PHY和Magnetics用于以太網(wǎng)接口ERTEC 400MAGPHYSDRAM閃存外部總線以太網(wǎng)DebugGPI

10、OJTAGMemory-ControllerARM-Interrupt-ControllerC POWERLINK應(yīng)用前景: Powerlink是一種基于OSI 數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層更改的協(xié)議,它將Ethernet傳輸過來的數(shù)據(jù)嚴(yán)格分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)部分,并利用PRC模式和多路復(fù)用模式提高傳輸效率,實(shí)時(shí)性非常好,更重要的是它是一種完全開源且免費(fèi)的技術(shù)，獨(dú)立于供應(yīng)商，大大降低了開發(fā)成本，非常適合應(yīng)用在各種自動(dòng)化設(shè)備，如I/O,運(yùn)動(dòng)控制,機(jī)器人任務(wù),PLC與PLC間通信等循環(huán)周期：100us 200us開源代碼:有Altera 與Xilinx FPGA 應(yīng)用實(shí)例及其C code作為參考.協(xié)議簡介協(xié)議模

11、型Powerlink 是一種三層的通信網(wǎng)絡(luò),它規(guī)定了物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層. 物理層使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)PHY, 數(shù)據(jù)鏈路層基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)但是不使用解決沖突的報(bào)文得重傳機(jī)制.一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)活動(dòng)的MN,可以獨(dú)立發(fā)送報(bào)文,其他受控節(jié)點(diǎn)只有當(dāng)接收到MN請求才被允許發(fā)送報(bào)文. Powerlink傳輸同步分為廣播同步和分布式同步,時(shí)鐘同步就是指在每次發(fā)送同步數(shù)據(jù)之前會廣播一個(gè)SOC數(shù)據(jù)幀,該數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間用來同步所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).除此之外，每個(gè)powerlink節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)定時(shí)器,用來產(chǎn)生同步信號,這就是分布式同步,為了解決各個(gè)定時(shí)器之間的差異,各個(gè)定時(shí)器會根據(jù)接收到的SO

12、C數(shù)據(jù)幀來啟動(dòng)自己的定時(shí)器Powerlink的應(yīng)用層遵循CANopen標(biāo)準(zhǔn)。CANopen分為三個(gè)主要部分：PDO,SDO和對象字典OD。硬件框架例程d Modbus：應(yīng)用前景：Modbus 總線協(xié)議采用主站查詢從站的方式，物理接口可以是RS232、RS485、RS422、RJ45等,凡具有RS232/485接口的MODBUS設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)互連,通信效率低是其一大劣勢.開源代碼: 有C代碼源碼. 循環(huán)周期：<1 s協(xié)議簡介Modbus是運(yùn)行在TCP/IP上的報(bào)文傳輸協(xié)議.通過此協(xié)議,控制器相互之間通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信. Modbus是一種簡單的客戶機(jī)/服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議. 客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送請求,服務(wù)器分析處理請求,并向客戶機(jī)發(fā)送應(yīng)答.e Ethercat：應(yīng)用場合：Ethercat是基于集束幀方法,在幀的傳輸過程中過程數(shù)據(jù)被提取或插入,每個(gè)從站對過程數(shù)據(jù)的大小幾乎無限制,在處理一些IO的小數(shù)據(jù)傳輸速度優(yōu)勢尤為明顯.循環(huán)周期: 100us開源代碼: 無,需授權(quán)協(xié)議簡介：EtherCAT是基于集束幀方法： EtherCAT主站發(fā)送包含網(wǎng)絡(luò)所有從站數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包,這個(gè)幀按照順序通過網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn),當(dāng)它到達(dá)最后一個(gè)幀,幀將被再次返回。 當(dāng)它在一個(gè)方向上通過時(shí)節(jié)點(diǎn)處理幀中的數(shù)據(jù)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)讀出數(shù)據(jù)并將響應(yīng)數(shù)據(jù)插入到幀中。 為了支持100 Mbit/