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提高以太網實用性的方法

瀏覽149次2017-03-02 15:01

　隨著相關技術的發展，以太網的發展也取得了本質的飛躍，再借助于相關技術，可以從總體上提高以太網應用于工業控制中的實用性。
　　1、采用交換技術
　　傳統以太網采用共享式集線器，其結構和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器，連接到共享式集線器上的所有站點共享一個帶寬，遵循CSMA/CD協議進行發送和接收數據。而交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設備的目標端之間提供了一個直接快速的點到點連接。不同端口可以形成多個數據通道，端口之間的數據輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現代交換機技術的發展，交換機端口內部之間的傳輸速率比整個設備層以太網端口間的傳輸速率之和還要大，因而減少以太網的沖突率，并為沖突數據提供緩存。當然交換機的工作方式必須是存儲轉發方式，這樣在系統中只有點對點的連接，不會出現碰撞。多個交換把整個以太網分解成許多獨立的區域，以太網的數據沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網的網絡性能和確定性。
　　交換式以太網沒有更改原有的以太網協議，可直接使用普通的以太網卡，大大降低了組網的成本，并從根本上解決了以太網通信傳輸延遲存在不確定性的問題。研究表明，通信負荷在10%以下時，以太網因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計。在工業控制網絡中，傳輸的信息多為周期性測量和控制數據，報文小，信息量少，傳輸的信息長度較小。這些信息包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點與量程調校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個字節，對網絡傳輸的吞吐量要求不高。研究表明，在擁有6000個I/O的典型工業控制系統中，通信負荷為10M以太網的5%左右，即使有操作員信息傳輸（如設定值的改變，用戶應用程序的下載等），10M以太網的負荷也完全可以保持在10%以下。
　　2、采用高速以太網
　　隨著網絡技術的迅速發展，先后產生了高速以太網（100M）和千兆以太網產品和國際標準，10G以太網產品也已經面世。通過提高通信速度，結合交換技術，可以大大提高通信網絡的整體性能。
　　3、采用全雙工通信模式
　　交換式以太網中一個端口是一個沖突域，在半雙工情況下仍不能同時發送和接收數據。如果采用全雙工模式，同一條數據鏈路中兩個站點可以在發送數據的同時接收數據，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通信技術可以使設備端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上同時接收和發送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣，任一節點發送報文幀時不會再發生碰撞，沖突域也就不復存在。對于緊急事務信息，則可以根據IEEE802.3p&q,應用報文優先級技術，使優先級高的報文先進入排隊系統先接受服務。通過這種優先級排序，使工業現場中的緊急事務信息能夠及時成功地傳送到中央控制系統，以便得到及時處理。
　　4、采用虛擬局域網技術
　　虛擬局域網（VLAN）的出現打破了傳統網絡的許多固有觀念，使網絡結構更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網絡用戶劃分為一個邏輯網段。局域網交換機的每一個端口只能標記一個VLAN,同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產生。工業過程控制中控制層單元在數據傳輸實時性和安全性方面都要與普通單元區分開來，使用虛擬局域網在工業以太網的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區分開，從而達到提高網絡的整體安全性和簡化網絡管理的目的。通常虛擬局域網的劃分方式有靜態端口分配、動態虛擬網和多虛擬網端口配置三種。靜態端口分配指的是網絡管理人員利用網管軟件或設備交換機的端口，使其直接從屬某個虛擬網，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網管人員重新設置；動態虛擬網指的是支持動態虛擬網的端口可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬；多虛擬網端口配置支持一個用戶或一個端口同時訪問多個虛擬網，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門可以同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網的資源。
　　5、引入質量服務（QoS）
　　IP QoS是指IP的服務質量（quality of service），亦即IP數據流通過網絡時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。QoS有一套度量指標，包括業務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網絡可以區分實時-非實時數據，在工業以太網中采用QoS技術，可以識別來自控制層的擁有較高優先級的數據，并對它們優先處理，在響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優先級等方面，使工業以太網滿足工業自動化實時控制要求。另外，QoS網絡還可以制止對網絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現場控制單元和監控單元的終端等。
　　此外，還出現了受大公司支持的工業以太網應用標準及相關協議的改進。將工業以太網引入底層網絡，不僅使現場層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本，以太網向底層網絡的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支持工業以太網并制訂了不同的工業應用標準。如 Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業協議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協議的應用層移植到TCP。FF制定的高速以太網協議HSE提供了發布方/定購方、對象等模型，主要用于工程控制領域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司發布的Modbus/TCP協議將Modbus協議捆綁在TCP協議上，易于實施，能夠實現互聯。
　　為了提高實時性，以太網協議也作了一些改進。一種完全基于軟件的協議RETHER（Real Time Ethernet）可以在不改變以太網現有硬件的情況下確保實時性，它采用一種混合操作模式，能減少對網絡中非實時數據傳輸性能的影響；非競爭的容許控制機制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節點故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協議的網絡以CSMA和RETHER兩種模式運行。在實時對話期間，網絡將透明地轉換到RETHER模式，實時對話結束后又重新回到CSMA模式。還有一種以太網協議叫RTCC（Real Time Communication Control），為分布式實時應用提供了良好的基礎。RTCC是加在Ethernet之上的一層協議，能提供高速、可靠、實時的通信。它不需要改變現有的硬件設備，采用命令/響應多路傳輸和總線表兩種新穎的機制來分配信道。所有節點在RTCC協議中被分為總線控制器（BC）和遠程終端（RT）兩類，BC只有一個，其余都是RT。信息發送的發起和管理都由BC承擔，訪問仲裁過程和傳輸控制過程都是由BC來實現的，通過兩個過程的集成與同步，不僅節點的發送時間是確定的，而且節點使用總線的時間也可控。在10Mbps以太網上的實驗表明，RTCC有令人滿意的確定性。第三種改進實時性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與Ethernet MAC之間加一個流量平衡器。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個網絡節點上。在本地節點，它給予實時數據包以優先權來消除實時信息與非實時信息的競爭，同時平衡非實時信息，以減少與其他節點實時信息之間的沖突。為了保證非實時信息的吞吐量，流量平衡器還能根據網絡的負載情況調整數據流產生率。這種方法不需要對現有的標準Ethernet MAC協議和TCP或UDP/IP作任何改動。
　　因此，針對以太網排隊延遲的不確定性，通過采用適當的流量控制、交換技術、全雙工通信技術、信息優先級等來提高實時性，并改進了容錯技術、系統設計技術以及冗余結構，以太網完全能用于工業控制網絡。事實上，20世紀90年代中后期，國內外各大工控公司紛紛在其控制系統中采用以太網，推出了基于以太網的DCS、PLC、數據采集器，以及基于以太網的現場儀表、顯示儀表等產品。
　　隨著網絡和信息技術的日趨成熟，在工業通信和自動化系統中采用以太網和TCP/IP協議作為最主要的通信接口和手段，向網絡化、標準化、開放性方向發展將是各種控制系統技術發展的主要潮流。以太網作為目前應用最廣泛、成長最快的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域得到了超乎尋常的發展。同時，基于IP的全程一體化尋址，為工業生產提供的標準、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對控制系統產生深遠的影響。

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