以太网同步控制的优点

工业以太网与现场总线技术及应用摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。

以太网就是这样的一种网络。

本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。

关键词：现场总线控制系统以太网 FCS一引言随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。

它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。

但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。

首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。

复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。

其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。

同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。

由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。

因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。

因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。

为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。

二以太网进入现场总线以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。

它具有如下特点：(1)以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,它受到广泛的技术支持,因此容易获得控制领域生产厂家的认可。

以太网通讯协议以太网通信协议（Ethernet communication protocol）是指用于局域网的一种通信技术。

它是最常用的有线局域网协议之一，使用广泛，支持高速数据传输和可靠的通信。

以太网通信协议的特点是简单、灵活和可扩展。

它使用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）技术，以实现多设备之间的共享通信。

当多个设备同时监听通信媒体时，它们通过检测到冲突来避免数据碰撞。

一旦冲突发生，设备将采取随机退避等方法，等待一段时间后再次尝试发送数据。

这种冲突检测机制保证了以太网的可靠性和高效性。

以太网通信协议属于OSI模型中的第一层（物理层）和第二层（数据链路层）协议。

在物理层，以太网使用双绞线或光纤等传输介质，通过ISO/IEC 8802-3标准来定义数据传输速率和信号编码规范。

在数据链路层，以太网使用帧结构来组织数据，并定义了MAC（媒体访问控制）地址和帧格式。

以太网的帧结构包括了数据部分和控制部分。

数据部分用于存放需要传输的数据信息，控制部分则包含了帧的前导码、目标地址、源地址、长度和帧校验序列等。

前导码用于同步收发器，保证接收端正确解析数据。

目标地址和源地址用于标识帧的发送和接收方。

长度字段表示数据的长度。

帧校验序列用于检验帧是否有误。

以太网通信协议支持多种传输速率，如10Mbps、100Mbps和1000Mbps等。

同时，它提供了不同类型的以太网协议，如以太网II、IEEE 802.3和IEEE 802.2等。

这些协议在数据包格式、数据传输速率和网络拓扑结构等方面有所不同，以满足不同应用场景的需求。

以太网通信协议是现代局域网的核心技术之一。

它被广泛应用于企业、学校、家庭和公共场所等各个领域。

以太网的优点包括简单、可靠、高效和成本低廉等。

它为人们提供了高速、稳定和安全的数据传输环境，促进了信息交流和资源共享。

总之，以太网通信协议是一种常用的局域网通信技术，具有简单、灵活和可扩展的特点。

以太网1.1以太网的由来1972年，罗伯特•梅特卡夫(Robert Metcalfe)和施乐公司帕洛阿尔托研究中心(Xerox PARC)的同事们研制出了世界上第一套实验型的以太网系统，用来实现Xerox Alto（一种具有图形用户界面的个人工作站）之间的互连，这种实验型的以太网用于Alto工作站、服务器以及激光打印机之间的互连，其数据传输率达到了2.94Mbps。

梅特卡夫发明的这套实验型的网络当时被称为Alto Aloha网。

1973年，梅特卡夫将其命名为以太网，并指出这一系统除了支持Alto工作站外，还可以支持任何类型的计算机，而且整个网络结构已经超越了Aloha系统。

他选择“以太”（ether）这一名词作为描述这一网络的特征：物理介质（比如电缆）将比特流传输到各个站点，就像古老的“以太理论”。

所阐述的那样，古代的“以太理论”认为“以太”通过电磁波充满了整个空间。

就这样，以太网诞生了。

最初的以太网是一种实验型的同轴电缆网，冲突检测采用CSMA/CD 。

该网络的成功，引起了大家的关注。

1980年，三家公司（数字设备公司、Intel公司、施乐公司）联合研发了10M以太网1.0规范。

最初的IEEE802.3即基于该规范，并且与该规范非常相似。

802.3工作组于1983年通过了草案，并于1985年出版了官方标准ANSI/IEEE Std 802.3-1985。

从此以后，随着技术的发展，该标准进行了大量的补充与更新，以支持更多的传输介质和更高的传输速率等。

1979年，梅特卡夫成立了3Com公司，并生产出第一个可用的网络设备：以太网卡（NIC），它是允许从主机到IBM终端和PC机等不同设备相互之间实现无缝通信的第一款产品，使企业能够以无缝方式共享和打印文件，从而增强工作效率，提高企业范围的通信能力。

1.2以太网的定义以太网是一种计算机局域网组网技术。

IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。

IEEE1588和同步以太/yangytao/38966/message.aspxIEEE1588和同步以太都是用来解决包网络中的同步问题。

IEEE1588独立于物理层，通过在报文中加入时间标签来传递同步信息，因此除了频率同步它还可以传递TOD（Time of the day），缺点是会受网络状态的影响，延时、丢包等都会影响到精度；同步以太通过以太物理层PHY实现同步，实现方式类似于传统的SDH/SONET网络，因此它不会受网络高层带来的影响，只要物理连接存在就可以实现同步，缺点是只能传送频率，没有TOD时间信息。

现实网络中计费、SLA等应用需要有确切的时间信息，而有些网络又需要运营级的同步，所以在未来的NGN中，用同步以太来实现频率同步，用1588来传递时间信息会是一个很好的解决方案。

G.8261与同步以太ITU-T的G.8261建议定义了分组网络的同步特性。

它规定了1）网络中所容许的最大jitter抖动和wander漂移；2）分组网络边界与TDM接口时需要达到的jitter和wander的最小值。

它同时还概述了网络单元实现同步功能的最小要求。

ITU-T通过G.8261后，解决了分组网络特别是以太网的同步问题，同步以太网通过OSI七层协议的第一层-物理层实现网络同步，如同现在的SONET/ SDH链路一样。

目前已经有支持同步以太的芯片面市。

Dallas Semi的DS310 4芯片可以直接将传统的SONET/SDH背板时钟频率（比如19.44MHz）与千兆以太（125MHz),10G以太（156.25Mhz）以及百兆以太（25MHz）间做转换，它同时可以输出SONET/SDH、千兆、10G以太（155.52M，125M，156.25M）所需频率。

Zarlink也同Marvell公司近日进行了同步以太网互操作性测试。

G.8262与G.8261以及其他协议间的关系G.8262描述了对同步以太时钟的性能需求，而G.8261则描述了同步以太的基本概念，G.8261是ITU-T应用于包网络同步的第一个详细建议。

关于网络通信技术的介绍网络通信技术的介绍1、计算机网络通过通讯设备和线路把地理位置不同的独立工作的计算机或者设备连接起来，最终实现传输信息和共享资源的计算机系统。

网络各节点之间可以互相通信并且可以共享资源，这里的资源包括硬件、软件和数据库资源。

计算机有6种互联设备，分别是：1中继器，负责两个节点之间的物理层按位传递信息。

2集线器，是网络传输介质的中央结点。

3网桥，将两个局域网相连。

4交换机，操作简便、价格低廉、性能高，工作在数据链路层。

5路由器，两个局域网之间由路由器来转发数据包。

6网关，在两个协议差别很大的计算机网络相连时使用[1]。

2、数据通信概述计算机之间、计算机和设备之间的数据交换过程即为数据通信。

数据通信需的传输数据信号过程需要通信网络的参与。

数据通信包括模拟通信、数字通信和数据通信。

模拟通信的载体是模拟信号，数字通信的载体是数字信号，数据通信指的是信息源产生的是数据。

数据的传输方式有三种，分别是：1基带传输与频带传输。

2串行传输与并行传输。

3同步技术[2]。

3、计算机控制与网络通信技术的发展第一时期，联机系统，不同地理位置的大量分散计算机通过中央处理机连接起来，中央处理机的功能十分强大，包括运算、收集指令和存储等功能。

中央处理机的运行速度受到计算机连接数量的影响，系统中的计算机越多处理机的运行速度越慢，指令的传达就会滞后导致信息到达通信终端的速度减慢。

针对运行速度的问题，前端处理机和通信控制器有效地予以了解决，它们处于中央处理机和通信线路之间负责控制和终端间的信息。

第二时期，20世纪60年代兴起了计算机互联网和许多的计算机互联系统。

这时系统的特点主要有分散交换和控制、资源多向共享，网络分层协议，各生产厂家那时的标准没有得到统一，所以这个系统具有独立和封闭的特点，网路的信息共享和互通不能得到最大程度的实现[3]。

第三时期，20世纪80年代出现了标准化的网络，计算机技术因为微处理器的诞生而有了长足的发展，而后集成电路更是为计算机的发展提供了强大的动力，微型计算机的运行速度和可靠性得到很大的提高。

EtherCAT技术的原理、性能及应用优势简介EtherCAT主张“以太网控制自动化技术” 。

它是一个开放源代码，高性能的系统，目的是利用以太网协议（最惠国待遇系统局域网），在一个工业环境，特别是对工厂和其他制造业的关注，其中利用机器人和其他装备线上的技术。

EtherCAT是IEC规范（IEC/PAS 62407）。

原理目前有多种用于提供实时功能的以太网方案：例如，通过较高级的协议层禁止CSMA/CD 存取过程，并使用时间片或轮询过程来取代它。

其它方案使用专用交换机，并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包。

尽管这些解决方案能够比较快和比较准确地将数据包传送到所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧。

而且，重新定向到输出或驱动控制器，以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。

通常也需要使用一条子总线，特别是在模块化I/O系统中，这些系统与Beckhoff K-总线一样，通过同步子总线系统加快传输速度，但是这样的同步将无法避免引起通讯总线传输的延迟。

通过采用EtherCAT技术， Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。

当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。

同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。

在帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理。

此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。

网段中的最后一个EtherCAT 从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。

从以太网的角度看，EtherCAT总线网段只是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。