《实时以太网》

深入讲解实时以太网工业以太网—实时以太网—在过去几年中经历了巨大的增长。

虽然经典的现场总线仍大量存在，但它们已经过了巅峰期。

流行的实时以太网协议扩展了以太网标准，可以满足实时功能的要求。

现在，TSN为实时以太网提供了一条新的途径。

实时与通信在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。

为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。

以太网比现场总线快得多——那又怎样？为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。

即使这些带宽通常非常小（每个器件几十个字节），该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。

但是，经典以太网不提供延迟和带宽保证。

相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。

这意味着什么？图1. 自动化中的实时通信。

以太网是所谓的桥接网络。

帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。

该架构在很大程度上具有自我配置能力。

网桥在转发帧之前先完全接收帧。

许多问题正是出在这里：* 如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。

* 由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。

这会导致延迟波动（抖动）。

* 由于交换机应通过其发送帧的端口可能已经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。

发送大型以太网帧（1522字节）在100 Mbps速率下大约耗时124μs。

如果说以太网通常运行良好，这种说法在某种程度上是公允的。

但是，这样做，我们使用的“通常”一词在硬实时语境下是无意义的。

仅仅通常满足实时条件是不够的，必须始终满足该条件。

住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。

工业通讯也不公平：最重要的是，控制/闭环控制应用始终具有优先权。

图2. ISO七层模型。

以PROFINET和EtherCAT为例展示的实时扩展由于负责以太网标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界开发了自己的解决方案—再次证明了其创造力。

电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering网络通信技术Network Communication Technology列车重联实时以太网标准唐柳(中车株洲电力机车研究所有限公司 湖南省株洲市412001 )摘 要：本文针对列车重联控制系统，概述了列车通信网络的发展情况，介绍了 IEC 61375国际标准的组成，分析了基于实时以太网 时初运行技术规范，包括自动组网、列车拓扑、统一资源标识以及智能寻址等规范，为基于实时以太网的列车重联系统开发提供技术参考.关键词：列车通信网络；IEC 61375;以太列车骨干网；以太列车编组网1列车通信网络发展概述列车通信网络(Train Communication Networks, TCN)被誉为列车的“神经系统”，主要包括列车控制、车载设备之间的数据传输以及故障诊断等功能。

我国轨道交通列车的通信网络主要采用多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus, MVB)和绞式列车总线(Wire Train Bus, WTB)作为通信技术删。

虽然这两种总线有着较 好的实时性和可靠性，但是受其通信带宽的约束，已经不能承载更多的列车相关业务数据传输。

随着轨道交通列车智能化的发展，加入网络的设备不断增加，传输的数据越来越多。

旅客信息服务、视频监控/CCTV 、视频广播、障碍物识别等业务需要在列车中铺设更多的通信网络进行数据传输⑶。

为了解决上述问题，需要研究新的具备确定性、实时性和大带宽的列车通信网络技术。

工业实时以太网虽然能满足大带宽、实时性等基本要求，但是无法解决不同国家、不同厂家列车重联运营时的网络自动重联、智能寻址以及互联互通问题[4]o中车株洲电力机车研究所有限公司(以下简称中车株洲所)等公司从2008开始研究轨道交通列车实时以太网技术3叫 通过对网络体系架构、智能组网与重构等关键技术的研究，研制出了完全具有自主知识产权的可规模化应用的产品平台系列。

实时以太网POWERLINK技术基础摘要：开源实时通信技术Ethernet POWERLINK是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。

本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。

关键词：实时性、直接交叉通信、冗余技术、安全技术、时隙管理、多路复用、主从结构、NMT、SDO,PDO1.工业实时以太网技术1.1为什么以太网得到发展？以太网实在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术，不像其它系统，从那时到现在以太网的开发从没间断，许多公司进行了大量的投资，以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累并在全世界分布。

以太网是一个电缆基础的数据网络技术，它用于本地数据网络LAN，他能够使本地的所有设备数据可以互联，例如，计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式，只是最开始，传统意义的LAN 类型是受制于一个独立的建筑的，以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。

以太网标准定义了一个电缆和连接器类型，比特信号在传输层的处理细节，以及特定包的格式和协议，参照OSI模型，以太网定义物理层和数据链路层，以太网或多或少包括IEEE802.3，自90年代以来，它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术，并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET，以及在特定应用环境应用的FDDI，以太网可以作为其它网络协议的基础协议如：AppleTalk,DECnet,IPX/SPX,或者TCP/IP。

1.2 CSMA/CD及它带来什么影响？CSMA/CD机制运行原理通俗的讲，以太网是依照共享介质机制来运行的，这意味着，在任意给定时间，所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号，每个设备被赋予了一个独立的MAC地址（介质访问控制），它确保了所有网络节点的确定标识，为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞，以太网使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），即，每个节点侦听网络，如果它发现网络上没有信号正在传输它就可以发送，然而，某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失，在这种情况下，碰撞检测阻止该节点的发送，在一个任意的间隔过后，节点尝试一个新的数据发送，数据传输没有数据丢失，但是，这会影响速度。

实时以太网POWERLINK技术在控制领域的应用[摘要]本文结合实时以太网POWERLINK技术的起源及特点，重点给出了其在机器人领域与一些机械控制领域的应用及实现方法。

[关键词]实时以太网;POWERLINK技术;控制领域中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0350-01引言实时通信技术正在成为潮流，是其中最早被开发和投入使用的实时通信技术，从它的应用中，我们可以知道，实时通信的重大意义和给我们带来的巨大好处。

1. 实时以太网POWERLINK的起源实时以太网POWERLINK的起源就可以看到，实时以太网POWERLINK技术是为了实际的应用需求而产生的，它不是一个在实验室研究的技术，而是一个在2001年就被投入使用的技术，当时，某知名乳制品制造商计划开发一个大型的生产系统，在这个系统中有超过2000多个I/O点分布在40个I/O站上，而且有50个伺服轴，为了生产系统的高速运行，需要所有的数据刷新周期不能大于5mS，当时，B&R为了这个系统开发了实时以太网POWERLINK技术，当时达到的指标是2.4ms。

今天，实时以太网POWERLINK技术已经被广泛应用于各个控制领域，提供高速高精度的生产设备控制，下面给出其在机器人领域、运动控制领域及其一些机械控制领域的应用及实现方法2.实时以太网POWERLINK在机器人控制领域的应用在工业应用中，存在着很多对于实时性要求非常高的环境，例如：机器人系统、高动态同步的运动控制应用、数据实时采集与测量、安全系统。

流程工业中的监控系统如SCADA、楼宇的BAS系统对于系统刷新的要求通常在100ms以上的级别，而输送系统、回路调节如压力、温度、液位、流量通常在ms到数十个ms这个级别，而机器人控制领域则在？S～几个10mS这个级别，对于高速同步的应用则可能在？s级。

对于机器人控制系统，当系统给定设定曲线后，机器人系统要将这些值转化为机器人的动作路径，根据不同的机器人类型如SCARA，并行SCARA、全关节型机器人而言，这是不同形式的齐次方程求解的过程，结果将会送给每个伺服轴作为其旋转角度的参量，同样道理如果希望机器人的加工精度和速度得到提高其变换计算的速度与数据刷新的周期都必须得到大幅度提高。

实时以太网技术及其应用-Ethernet POWERLINK一、IT技术对于自动化领域的影响-Ethernet技术的大量使用1.为什么选择以太网？1.由于在管理层的ERP/MRP/CIMS/MES均采用了Ethernet技术，因此，对于Ethernet有了广泛的需求；2.Ethernet技术继承了IT业的开放性设计以及更为便宜的成本；3.开放的工具例如诊断工具Wireshark和标准的市面上多个厂家提供的芯片可供使用；4.Ethernet不仅仅是一个总线，它一直在进步，从10Mbps,100Mbps,它一直领先于工业网络的速度和技术；2.实时性需求在不断增加但是CSMA/CD机制的确会防止冲突在网络上的发生，却造成了数据发送的不确定性以及延迟的产生，这对于更为苛刻的实时性要求的机器控制而言则无法满足。

所谓确定性的通信过程是指它具有一个精确的可预测的定时，也就是什么时候数据报文到达接收者，生成响应数据和需要多长时间来传送该数据报文，都是可预测和确定的。

它应用等时间同步原理，等时同步是一种数据传送方法，即在每一个精确的总线时钟周期内，确保传送实时数据。

3.实时性应用等级3.1回路调节对于回路调节及输送系统、数据采集系统等，其PID回路调节，四大参量如温度、压力、液位、流量而言，由于其所具有的延迟性，通常周期均在mS级,10mS,50mS,100mS甚至到S一级，以太网技术可以满足其刷新的需求。

3.2机器人与CNC系统机器人与CNC系统正在蓬勃发展，在机械工业的行业划分中，CNC和机床是最大的一块，整个CNC和机器人的架构设计中，由主控PC和PLC运行的插补算法将通过高速总线传递给各个执行机构，在每个CNC和机器人的插补周期里，该插补值都需要通过总线给定到伺服系统，而伺服系统的电流环、速度环将在本地执行，为了满足更高速度和更高精度的加工要求，S=Vt,当位置与速度都要求极高的时候，只能是在刷新周期上不断缩小，而这对实时控制提出了要求，目前在速度控制方面，如果将速度也反馈给主控，则这个刷新的速度需要更快，甚至达到几十个微秒的周期，这也是为什么传统的CNC和机器人系统采用专用系统的原因-因为，目前国内的CNC和机器人达到的均在5mS这个水平，而新一代的更高速度则要到uS级的刷新，例如Fanuc,Kuka,ABB的机器人系统刷新均在uS级，因此其传统都使用光纤专用总线来实现数据交换。

实时以太网技术及其应用-Ethernet POWERLINK一、IT 技术对于自动化领域的影响-Ethernet 技术的大量使用1.为什么选择以太网？ 1.由于在管理层的 ERP/MRP/CIMS/MES 均采用了 Ethernet 技术，因此，对于 Ethernet 有了广泛的需求； 2.Ethernet 技术继承了 IT 业的开放性设计以及更为便宜的成本； 3.开放的工具例如诊断工具 Wireshark 和标准的市面上多个厂家提供的芯片可供使用； 4.Ethernet 不仅仅是一个总线，它一直在进步，从 10Mbps,100Mbps,它一直领先于工业网络的速度和技术；2.实时性需求在不断增加 但是 CSMA/CD 机制的确会防止冲突在网络上的发生，却造成了数据发送的不确定性以及延迟的产生，这对于更为苛刻的实 时性要求的机器控制而言则无法满足。

所谓确定性的通信过程是指它具有一个精确的可预测的定时，也就是什么时候数据报文到达接收者，生成响应数据和需要多 长时间来传送该数据报文，都是可预测和确定的。

它应用等时间同步原理，等时同步是一种数据传送方法，即在每一个精确 的总线时钟周期内，确保传送实时数据。

3.实时性应用等级 3.1 回路调节 对于回路调节及输送系统、数据采集系统等，其 PID 回路调节，四大参量如温度、压力、液位、流量而言，由于其所具有的 延迟性，通常周期均在 mS 级,10mS,50mS,100mS 甚至到 S 一级，以太网技术可以满足其刷新的需求。

3.2 机器人与 CNC 系统 机器人与 CNC 系统正在蓬勃发展，在机械工业的行业划分中，CNC 和机床是最大的一块，整个 CNC 和机器人的架构设计 中，由主控 PC 和 PLC 运行的插补算法将通过高速总线传递给各个执行机构，在每个 CNC 和机器人的插补周期里，该插补 值都需要通过总线给定到伺服系统， 而伺服系统的电流环、 速度环将在本地执行， 为了满足更高速度和更高精度的加工要求， S=Vt,当位置与速度都要求极高的时候，只能是在刷新周期上不断缩小，而这对实时控制提出了要求，目前在速度控制方面， 如果将速度也反馈给主控，则这个刷新的速度需要更快，甚至达到几十个微秒的周期，这也是为什么传统的 CNC 和机器人 系统采用专用系统的原因-因为， 目前国内的 CNC 和机器人达到的均在 5mS 这个水平， 而新一代的更高速度则要到 uS 级的 刷新，例如 Fanuc,Kuka,ABB 的机器人系统刷新均在 uS 级，因此其传统都使用光纤专用总线来实现数据交换。

实时以太网技术的发展与应用评述1 引言现场总线曾经是工业自动化系统中的主流通信解决方案，但长期以来的现场总线标准之争，不仅干扰了用户选择，而且影响了现场总线的互操作性和互换性，延缓了现场总线的发展速度，影响了其发展前景[1]。

同时，不断增长的用户需求已经超出了传统现场总线技术的能力范围，如分布式运动控制系统对数据通信的实时性、同步精度、通信周期时间都有着很高的要求。

作为最成功的局域网技术，以太网具有高通信速率、高性价比、易于实现管控一体化等优点，近年来在工业控制网络领域得到了广泛应用，统称为工业以太网。

传统的基于IEEE802.3标准的以太网技术采用CSMA/CD MAC机制和冲突退避算法，导致了信息传送的滞后和延时非确定性，不能满足工业实时通信的要求，通过交换式以太网技术、全双工通信以及各种信息级、流量控制技术，到目前为止可以将工业以太网的实时响应时间做到5~10ms[2]。

但对于响应时间小于5ms的应用，普通的工业以太网已不能胜任，如高精度多轴伺服系统中要求实时响应时间小于1ms，抖动小于1μs。

为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织提出了多种提升工业以太网实时性的技术解决方案，这就是实时以太网。

本文旨在介绍实时以太网技术的发展来源和技术原理，并分析其应用状况及发展趋势。

2 工业以太网工业以太网是以太网在工业控制领域的延伸。

严格意义上说，工业以太网是现场总线的子集，但又区别于传统的现场总线。

以太网技术最初是针对商用网络设计，其可靠性、实时性不能满足工业通信要求，因此早先并没有大规模应用在工业领域中。

工业以太网技术的发展，是由于高速以太网技术、交换式以太网技术以及全双工通信模式技术的发展及其相互结合和应用，提高了以太网通信的可靠性和实时性。

使用工业以太网技术，还可以方便的连接上层的企业管理层、中层的过程监控层以及底层的现场设备层。

同现场总线情况类似，鉴于工业以太网技术的巨大商机，众多自动化厂商和组织纷纷推出自己的工业以太网技术规范，如Ethernet/IP、PROFInet、EtherCA T、Ethernet Powerlink、Modbus/TCP等。