工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信技術(shù)及進(jìn)展

鄧尚偉

【摘要】 隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)通信方式也逐漸向自動(dòng)化的方向發(fā)展。而將以太網(wǎng)運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，但其實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)仍舊是行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。本文就以太網(wǎng)運(yùn)用與工業(yè)實(shí)時(shí)通信技術(shù)，結(jié)合對(duì)以太網(wǎng)通信機(jī)制和技術(shù)特點(diǎn)的分析進(jìn)行討論，并提出一些解決方式。

【關(guān)鍵詞】 工業(yè)生產(chǎn) 以太網(wǎng) 實(shí)時(shí)通信技術(shù) 解決方案

伴隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)通信技術(shù)迅速進(jìn)入到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的領(lǐng)域中，并在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮了技術(shù)積累與擴(kuò)大發(fā)展空間的作用。但事實(shí)上，運(yùn)用以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術(shù)在實(shí)時(shí)性上還存在一定的問(wèn)題。下文就以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出解決實(shí)時(shí)性通信的解決方案。

一、工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)與適應(yīng)性問(wèn)題。

1.1以太網(wǎng)的不確定性

眾所周知，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在各種各樣的領(lǐng)域中。但因以太網(wǎng)使用的介質(zhì)訪問(wèn)方式采用的是CSMA/CD協(xié)議，導(dǎo)致其表現(xiàn)出實(shí)時(shí)性不高和非確定性的特征。也就是說(shuō)，帶有沖突檢測(cè)的載波在監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)的過(guò)程中，某一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送報(bào)文時(shí)，會(huì)首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)，則要等到空閑時(shí)才能進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，否則將會(huì)立即進(jìn)行發(fā)送，而如果有兩個(gè)或者更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)處于空閑時(shí)就會(huì)同時(shí)發(fā)送報(bào)文，勢(shì)必會(huì)造成沖突。因此，當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文時(shí)，還需要繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)生沖突出立即停止發(fā)送并等待網(wǎng)絡(luò)重新空閑時(shí)再進(jìn)行發(fā)送。此時(shí)，不但傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至還可能存在傳送不到的情況，這也充分體現(xiàn)出以太網(wǎng)通信的不確定性和非實(shí)時(shí)性。

1.2以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中的適應(yīng)性問(wèn)題

事實(shí)上，以太網(wǎng)不能夠提供電源，所以在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中需要提供額外的電纜來(lái)供電，且以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全的系統(tǒng)。前面提到，以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD協(xié)議的介質(zhì)訪問(wèn)方式，該種方式不能夠完全滿足工業(yè)生產(chǎn)可控制的實(shí)時(shí)性要求，具有很高的不確定性。因以太網(wǎng)的最初設(shè)計(jì)目的是運(yùn)用商業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)上應(yīng)用在辦公室和商業(yè)用途的以太網(wǎng)能夠解決現(xiàn)場(chǎng)總線之間互相不兼容、不同公司的控制器之間高速實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的目的，但應(yīng)用在自動(dòng)化的工業(yè)領(lǐng)域，還需要解決很多適應(yīng)性的問(wèn)題。

二、工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的解決方案

針對(duì)以太網(wǎng)的不確定性和環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，對(duì)于工業(yè)控制領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是非常棘手的問(wèn)題。尤其是在直接進(jìn)行測(cè)控的生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方面，通信的實(shí)時(shí)性是當(dāng)緊急狀態(tài)發(fā)生時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸以及準(zhǔn)確傳輸?shù)谋匾獥l件，因此，我們必須針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行解決。

2.1降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度

其實(shí)，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突概率是隨著數(shù)據(jù)通信量的增加而增長(zhǎng)的，在網(wǎng)絡(luò)中如果沒(méi)有過(guò)多的數(shù)據(jù)通信，發(fā)生發(fā)送報(bào)文沖突的概率就會(huì)較小。而實(shí)踐證明，當(dāng)通信負(fù)荷達(dá)到25以下時(shí)，一般情況下以太網(wǎng)通信可以保持暢通；如果負(fù)荷只在5左右時(shí)，可以完全避免報(bào)文發(fā)送沖突。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于或者等于10時(shí)，有部分方案會(huì)認(rèn)為這種沖突是可以避免的，但實(shí)際上這些沖突仍然在發(fā)生，盡管概率非常低，但過(guò)低的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷會(huì)降低實(shí)際利用的以太網(wǎng)帶寬，從而不滿足經(jīng)濟(jì)性和利用率。

2.2運(yùn)用交換機(jī)提高網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的帶寬

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)利用的是共享式的集線器，這種共享式的集線器其結(jié)構(gòu)和功能僅屬于物理層的中繼器。因此，當(dāng)要將站點(diǎn)連接到共享式的集線器上來(lái)共享一個(gè)帶寬時(shí)，必須遵守以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)方式CSMA/CD協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。而以太網(wǎng)交換機(jī)屬于一個(gè)受控上多端口的開(kāi)關(guān)矩陣，此時(shí)，各個(gè)端口的數(shù)據(jù)信息流都是相互隔離的，只有同時(shí)處于同一端口上的信息流傳送才會(huì)互相產(chǎn)生沖突。也就是說(shuō)，此時(shí)的每一個(gè)端口都是一個(gè)沖突域，因此可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷來(lái)進(jìn)行測(cè)算，通過(guò)交換機(jī)的原理將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割。將不同的端口分割以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道，此時(shí)，各個(gè)端口上的數(shù)據(jù)輸入和輸出就不再受到以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)方式CSMA/CD協(xié)議的限制，從而實(shí)現(xiàn)提高網(wǎng)路各個(gè)站點(diǎn)帶寬的目標(biāo)，然而這種方式的附加成本較高，運(yùn)用在現(xiàn)場(chǎng)儀表時(shí)，其存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)也存在一定的延遲和不確定性，因此還有待改善。

結(jié)語(yǔ)：總的來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)的發(fā)展將會(huì)逐漸迅速，將其運(yùn)用于工業(yè)控制領(lǐng)域是近幾年來(lái)工控行業(yè)的研究焦點(diǎn)。隨著以太網(wǎng)產(chǎn)品和技術(shù)的不斷推廣，越來(lái)越多的技術(shù)和產(chǎn)品得到了改善，以太網(wǎng)應(yīng)用在工控行業(yè)中的不確定性和非實(shí)時(shí)性還需要進(jìn)行不斷的研究和解決。通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷或者提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的方式，亦或是利用以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)站點(diǎn)的帶寬的方式都能在一定程度上解決其不確定性和非實(shí)時(shí)性。相信在未來(lái)，以太網(wǎng)通信技術(shù)還能更好的發(fā)揮在工控行業(yè)中。

參 考 文 獻(xiàn)

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