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以太网在工厂底层通信系统中的应用
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以太网在工厂底层通信系统中的应用
摘要 ：
目前我们建议在工厂和工厂的底层通信系统中使用以太网络。在这一现场总线广泛应用的领域里，控制器和传感器或致动器间的高速数据传输得到典型的应用。
最初的以太网版本不能满足实时的要求，但最新的进展极大的改善了这一情况。
本论文，推荐一种基于以太网的通信方式，使以太网在在工厂底层通信系统中的应用成为可能。特别分析了两种实时通信协议的执行过程，并把这两种协议的性能表现和两种重要的现场总线进行了对照评估。
关键词：以太网，现场总线，实时，上位机——下位机，制造商——消费者
1.引言
前些年，工厂通信系统的发展，使得现场总线得到普及。现在是计划以太网络在有控制器和传感器致动器间高速数据传输的工厂自动化系统中应用的时候了。
正如大家所知，以太网络是由IEEE 802 委员会制定的局域网标准。最初设计为最高速率10Mbit/s的通用数据传输方式。这种技术的特性，特别是该技术使用的物理媒质访问方式引起的发送帧之间可能的冲突使他在对时间要求严格的应用中不占优势。
然而，最近传输速率的增加和交换机的引入，极大的增强了以太网的性能。
其最高数据传输速率提升到100Mbit/s，并且数据链路层的协议保持不变。这种新版本的以太网商业上称为高速以太网或者写成首字母缩略字 100BASE-T.有关速度的另一提升是千兆以太网，它运行于1000Mbit/s但仍然没有用于工业自动化中。
交换机是一种工作在数据链路层的设备，负责工作站，不同网段之间的相互连接，与传统的共享型配置相反，基于交换结构的网络可以非常高效的处理其中的数据流，帧只被送到指定地址的主机或网段，特别是交换机的使用，完全避免了以太网应用中帧和帧之间的冲突。
以上两项重要进步使以太网与现场总线一样在工厂底层通信系统中应用成为可能。
这种新情况产生了多种有益的影响：
首先，这种类型的网络已经大量的应用，我们可以获得大量的廉价组件和资料。此外，由于国际计算机互联网和企业网络已经被工厂高层自动化系统所广泛的应用，如果以太网应用于设备层，工厂中不同的通信系统由于使用相同的协议可以轻易的互连。这就是目前大量普及的TCP/IP协议组的情况。
然而，在这一领域应用以太网时，还要考虑到一些问题。反对者最经常指责的就是由于多主机同时访问介质时可能发生的帧冲突而引发的传输不确定性。这一问题经常被高估了，因为如上所述，合适的配置可以消除碰撞，此外设备层的网络其典型运作方式本身就预防了冲突的发生：通常控制器按顺序每次查询一个传感器或驱动器，并且在去查询下一个之前先要等候回应。这样就避免了同时访问。更值得挑剔的是它缺少可以预见能在设备层进行典型应用标准和明确定义的协议。
事实上，IEC 61158现场总线标准包含了基础现场总线HSE（高速以太网络），它使用以太网作为现场总线的基础构架。不幸的是，由于标准最新才发布，先期产品刚刚上市，该部分标准并不是很流行。
本论文详细论述了以太网络在工厂通信系统底层应用的可能性。并且与两种已存在的优秀现场总线做了理论上的比较。
本文结构如下：
第二部分，简要介绍了以太网数据链路层的协议，着重介绍后面将要用到的特性。
第三部分，分析工业自动化中常用通信系统的特点。
第四部分，处理以太网在工业自动化通信系统中各层次上的应用问题。
第五部分，分析以太网在设备层应用时的性能表现，并且和Profibus DP,WordFIP的性能作比较。
2.以太网络
IEEE 802委员会指明的以太网数据链路层由两个子层构成：逻辑链路控制LLC和媒质访问控制MAC。
LLC是由IEEE 802委员会制定的所有局域网共有的标准，根据不同的种类，能为用户提供多种服务：无应答无连接服务，连接模式服务，有应答无连接服务。
控制 信息
LLC协议通过其帧实现流量和差错控制，通过服务访问点（SAPs）为用户服务。LLC协议的数据单元如下图1
MAC协议明确了局域网访问传输媒质的技术，故不同的局域网有不同的MAC，对于以太网来说，媒质访问控制协议就是带有冲突检测的载波多路监听。这一标准由IEEE 802.3委员会发布，IEEE 802.3 协议的数据单元如图2中所示。
为了使冲突检测技术能够正常的运作，PDU的最小长度，应为512bits出于这个目的，如果有需要的话，可以在空位处填入合适数量的八位字。最小长度是从“目的地址”开始计算的。因此最短帧的大小应为576bits,此外标准预测包间隔是96bits，就是说，每一个发送站都要保证发送到网络上的两个帧之间都要有不小于这样的间隔。
3.工厂通信系统
如图所示，一个易懂的图形定义了三种工业通信系统。在设备层，通信发生在控制器和传感器/致动器之间，标准的运作是一个能被现场报警所中断的高速循环数据交换。
通常情况下，该层交换的数据量比较小，但要求的循环时间为若干毫秒。
在cell level设备的运作是协同的，并被监控。这就要求为配置，校准，trending,等传输相当可观的数据。然而，允许数据传输的时间可以是几百毫秒或更长。
在plant level制定总体的生产战略，即在这一层相互联系的必要性有不同的命名，如，企业资源规划（ERP）程序，资源定位，管理，等等。在Plant level运行的通信系统必须保证可靠传输大量的信息而对时间没有严格的要求。
4.以太网在工业通信系统中的应用
以太网在工业通信系统中的plant和cell层已经应用了很长时间。在plant level中局域网作为连接所有相关站点的骨干网或骨干网的一部分。目前使用的最有趣的协议体系是TCP/IP协议组，及基于它的一些通用应用协议，进一步讲就是：FTP,HTTP,SMTP。这样的结构同样适用于万维网的运作。
在cell level最有代表性的协议可能是生产信息规范MMS它是唯一的工业通信系统应用层国际标准。不幸的是，虽然MMS已经有一些有意思的应用，但MMS并没有被广泛的使用。Cell level的数据传输，是由基于专利协议的以太网实现的。然而同样是在这一层，有把TCP/IP引入的趋势，使其能和上层进行方便的互连。
由于设备层，对网络的性能表现有特别高的要求，故人们对以太网在该层的延伸应用作了深入细致的研究。
实际上，我们的目标是要使以太网的性能表现超过那些专为实时应用而设计的现场总线。
4.1在设备层应用的以太网通信站的结构
在设备层运转的现场总线的主要功能是：循环数据交换和处理异步紧急流量。由“实行协议”的方式实现，通常是基于两种不同的技术：Master-slave和producer-consumer.
Master-Slave协议的功能通常由下层的数据链路层提供服务来实现。该协议重要的一个例证是Profibus DP。由于这种情况，只使用了数据链路层的通用服务，执行的各种功能由不同的数据访问点识别。循环数据交换借助于相同类型的数据传输服务而分别地实现。异步事件可以在联机时直接由slave传送到master.
Producer-consumer协议，基于一组能在网络上交换的明确变量（即标识符）对于 每一标志符都有一个“生产者”和可能多于一个的“消费者”。在worldFIP现场总线种便使用这样的技术，其中的循环数据交换，用一个叫做总线仲裁器的节点实现。它负责发出正确的产生变量的请求。总线仲裁器，是基于网络开始运作前调入的时刻表来运作的，异步流量在周期请求的间隔中得以处理。
原则上讲，以太网的数据链路层可以支持以上的两种协议。
特别是，LLC服务通过服务访向点（SAPS）即能明确Master-slave的功能又能建立Producer-consumer使用的变量，可以解决实时协议的所有功能要求。
然而，必须考虑到,为了保证互联达到最好的效果,运行于设备层的站点都要求采用IP协议.
此外,人们都知道,为了保证正确数的据传输而使用的差错控制和流量控制会大大的增加传输数据所需要的时间.这些延迟,使直接应用基于连接的协议如TCP或使用基于连接服务的LLC变得很不方便.
还应该考虑到的是实际中LLC很少使用,通常在一个以太网工作站上，IP协议层通过一个网络适配器模块直接连接到MAC.例如网络驱动接口说明,NDIS.
因此,为了部署基于以太网的实时协议,必须找到LLC和TCP的代替品.最合适的解决方案莫过于用户数据报协议UDP,它是传输层中只提供无连接服务的协议,其PDU(也叫数据报)如图4所示.
现场的“源端口”和“目的端口”可以让LLC的SAPs以相同的方式为多种应用服务。UDP标准并没有明确的定义用户和使用的服务，无论如何，符合该协议的站点都有可能发送和接收数据报。为了填充现场的源端口还是需要已发送数据报的回应。
从图4中可以看出UDP插入的头信息非常小，这意味着它能以非常高效的方式传输。
实时协议 应用协议：HTTP,FTP,等 因特网协议 网络适配器
可以想像，IP协议的使用使得与上层工厂通信系统的连接变得很方便。依这种方式，例如：一台工作站提供网络服务器的功能，我们就可以通过使用简单的浏览器来操作。然而，我必须指出，由这些操作所产生的网络流量将严重干扰实时协议的工作。由此可知，远程访问一个工作于设备级的以太网工作站时要格外的小心。
6．结论
本论文论证了以太网应用于工厂设备级通信系统的可能性。
着重分析了实际中缺少适合设备级协议标准的情况。出于这个目的我们推荐了一种能胜任应用要求的以太网实时协议。
这种使用UDP的解决方案应用TCP/IP协议组，使利用相关的所有高层协议成为可能。
我们分析了两种分别名为Master-slave和Producer-consumer的实时协议，并把其理论上的性能表现分别和Profibus DP，WorldFIP做了对比。
分析结果表明，虽然效率稍有些低（特别是交换少量数据时）100BASE-T表现出的循环时间显著的短于两种现场总线。
