工业以太网的研究现状及展望

工业以太网的研究现状及展望1

陈积明 王智 孙优贤

(浙江大学工业控制研究所,杭州 310027)

摘要简单介绍了以太网的发展现状并针对以太网在工业应用中的不足综合了现阶段国内外的研究

提出了一些解决方案同时分析了工业以太网的发展前景

关键词QoS 交换式以太网 VLAN 虚拟冲突 环冗余 OPC

1 前言

在现代工业控制中由于被控对象测控装置等物理设备的地域分散性以及控制与监控等任务对实时性的要求工业控制内在地需要一种分布实时控制系统来实现控制任务[1]

在分布式实时控制系统中不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络以信息传递的方式实现的为了满足任务的实时要求要求任务之间的信息传递必须在一定的通信延迟时间内从信息传送到信息接收之间的全部通信延迟称作端对端的通信延迟它主要包括产生延迟排队延迟传输延迟和发送延迟四方面的因素其中排队延迟由通信网络的

MAC层决定工业通信网络的采用不仅为实现过程分布控制提供了现实可行的条件而且对系统的实时性提出了强烈的要求为了满足工业控制中对时间限制的要求通常采用具有确定的有限排队延迟的专用实时通信网络典型的实时通信网络就是现场总线它是应用在生产现场在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通讯系统又称为开放式数字化多点通讯的低层控制网络被誉为自动化领域的计算机局域网[2]它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点以现场总线为纽带连接成为可以互相通信沟通信息共同完成自控任务的网络化控制系统

由于现场总线适应了工业控制系统向分散化网络化和智能化发展的方向并且促使目前的自动化仪表DCS和可编程控制器(PLC)等产品面所临体系结构和功能结构的重大变革导致工业自动化产品的又一次更新换代现行的现场总线有FF PROFIBUS WorldFIP P-NET

CAN和LONWORK等[3]

尽管现场总线获得了巨大的成功然而现场总线这类专用实时通信网络具有成本高速度低和支持的应用有限等缺陷如何利用COTS Commercial off-the shelf技术来满足工业控制需要是目前迫切需要解决的问题[4]其中如何把Ethernet应用到工业已经成为工业控制和实时通信研究的热点

Ethernet作为一种成功的网络技术进入市场已经将近二十年了在办公自动化和工业界获得了广泛的应用因为Ethernet具有成本低稳定和可靠等诸多优点Ethernet已经成为最受欢迎的通信网络之一然而由于Ethernet 的MAC层协议是CSMA/CD各个节点采用1坚持BEB Binary Exponential Back-off算法处理冲突具有排队延迟不确定的缺陷无法保证确定的排队延迟使之无法在工业控制中得到有效的使用随着IT技术的发展Ethernet的发展也取得了本质性的飞跃先后产生高速Ethernet和千兆Ethernet 产品和国际标准以及即将出现的十千兆Ethernet产品和国际标准针对Ethernet的排队延迟不确定性Ethernet又增加了双工通信技术交换技术信息优先级等来提高提高实时性同时Ethernet又改进了容错技术Ethernet的新变化已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视他们迫切需要知道Ethernet是否满足工业控制的要求采用

Ethernet能够带来哪些好处和需要解决哪些问题现在在美国成立了工业自动化通信网络联盟Industrial Automation Network Alliance, IANOA其主要目的在于建立Ethernet

为工业控制中的通讯标准[5]在欧洲成立了IANOA的联盟其主要目的推广Ethernet在工

1基金项目国家自然科学基金资助项目编号6008401

业自动化领域和嵌入式系统领域的应用在全球成立了工业Ethernet联盟Industrial Ethernet Alliance IEA其目的是建立工业控制界的Ethernet产品标准Ethernet的进一步飞速发展也引起现场总线领域极大的注意力FF已经放弃原有的H2标准把高速Ethernet作为H2的替代使高速Ethernet成为高速现场总线的新标准现在FF的高速Ethernet High Speed Ethernet HSE已经成为国际标准

2 工业以太网的研究现状

国内外学者近年来在工业以太网的研究工作中表明新技术的介入和具有实时功能的以太网协议的产生使工业以太网将逐步成为工业控制网络的主流技术碰撞冲突产生的带宽问题和排队时延的不确定性问题在理论上都得到了不同程度的解决工业以太网的现阶段的研究在以下的方向上取得了初步的成果同时有待更进一步的深入研究

2.1 服务质量

QoS有各种参数特征比如流量时延时间数据不稳定和丢失率等主要用来反映工业过程控制中的实时性能不同的用户有不同的实时性要求对于实时和非实时应用其要求是大不一样在实时性应用中单个的数据包必须不超过某个确定延时时间如果包来得太迟它就没有应用价值这种类型典型的应用是工业现场摄像头的影碟数据或者时间关键的控制信号传送等这种应用中迟到的包和丢失的包一样都会引起麻烦而在非实时应用中能够利用延时到达的数据包

目前QoS体系有两种标准化的结构即IEEE定义的802.1p/Q标准和IETF定义的集成服务结构[6]

IEEE802.1p/Q协议结合排队机理时允许交换机对现场数据进行优先级设置和流向指示IEEE扩充了MAC帧所带的用户优先字段这个字段有三个字符宽可以用来区分8种不同优先级的数据量因此定义了一种简单的优先级调度的方法单个队列严格按照优先级来操作最高优先级先发送802.1p/Q可以在廉价的硬件中实现它是向网络增加QoS

功能的第一步但是它没有允许控制和管理机制所以如果相同优先级的数据流同时发送那么网络就会过负荷如果高优先级数据量充满整个网络那么它会阻碍其它的低优先级数据

IETF定义了一种不同的方法集成服务结构建立在OSI三层的协议上通过探测流量的IP协议的帧头字段来实现集成服务开发了加权公平排队方法不但考虑了数据包个数而且考虑它们的长度这种方法把带宽分给了不同的类别通讯量属于同一个优先级的数据包将被放入同一个队列至于哪些数据在哪个队列被处理要由应用和网络之间的信号机制来商议这种方法保留了队列的空间如果资源不够的话用户请求会受到拒绝重新发出一个低级的QoS的请求或者给用户显示错误的信息

IETF集成服务结构需要路由器区分通过不同数据流的包用地址和端口号来标记流量同时采用允许控制使实现某些服务参数成为可能

QoS机制保证了工业现场相对较少的时间关键的时延容忍度很低的数据量比如控制信号的实时性

2.2 交换式以太网

交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出交换机主要用来把网络分成不同的冲突域同时对网络进行扩展这种网络的性能主要由传输和接收的元件的性能决定通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽为每个用户提供了独占的点到点链路这样在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备因此不需要竞争底层传输信道建立了真正意义上的地理位置分散的网络网络的