图! "#$ 数据链路层模型
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#$%&’(&$ ) *+ 实时以太网 "E0+,2+E : 7# 实时以太网技术是由 -F2E,FGH+E 国际组
传输 %&" 与 %&’ ( )*+, 之间交互的数据， 而不作任何 缓存和处理。对于第二种通信调度， 每个 "#$ 设备中 的 "#$ ( -’." 将 %&’ ( )*+, %$/$ 根据事先组态好的 控制时序和优先级大小传送给 %&"， 由 %&" 处理后通 过 #0&" 发送到网络， 以避免两个设备在同一时刻向网 络上同时发送数据的报文碰撞。 在一个 "#$ 微网段内， 所有 "#$ 设备的通信均按 周期进行， 完成一个通信周期所需的时间 / 称为一个 通信宏周期。通信宏周期 / 分为两个阶段， 第一阶段 第二个阶段为非周期报文传 为周期报文传输阶段 /1， 输阶段 /2， 如图 3 所示。
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工业以太网与实时以太网
长期以来， 由于现场总线争论不休， 互通与互操作
问题很难解决， 于是现场总线开始转向以太网。经过 近几年的努力， 以太网技术已经被工业自动化系统广 泛接受。众所周知， 并于 &+,-8*-+ 网络出现于 LSRM 年， LSO" 年制定成 为 J&&& O#" T$ 标 准的 第一版 本。 LSS# 年 " 月该标准正式成为 JB) U J&V OO#" T$ 国际标准。在 这期间， &+,-8*-+ 从最初 L#G.70 以太网过渡到 L##G.70 快速以太网和交换式以太网， 直至发展到今天的光纤 以太网和万兆以太网。可以说， 开放的 &+,-8*-+ 是 $# 年来发展最成功的网络技术， 它是在与 J&&& O#" TQ 令 牌总线局域网和 J&&& O#" TM 令牌环局域网两个对手的 竞争中脱颖而出的， 并导致了一场信息技 术的 革命。 &+,-8*-+ 网的快速发展和广泛应用有力地推动了高技 术芯片和系统开发， 从而大大提高了网络性能和降低 了系统成本。因而， &+,-8*-+ 每年在世界上的安装量超 过上亿个节点。 通常， 人们习惯将用于工业控制系统的以太网统 称为工业以太网。但是， 如果仔细划分， 按照国际电工 委员会 BV%MV 的定义， 工业以太网是用于工业自动化 按照 J&&& O#" TLW “媒体访 环境、 符合 J&&& O#" T$ 标准、
域， 每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过 该微网段内 %H" 设备间的 %H" 网桥与其它网段分隔， 通信被限制在本控制区域内进行， 而不会占用其它网 段的带宽资源。处于不同微网段内的 %H" 设备间的 通信需由相应的 %H" 网桥转发控制。 为了提高网络的实时性能， %H" 对 $>E = $%# &&’()6 协议规定的数据链路层进行了扩展， 在其之上增加了 一个 %H" 通信调度管理实体 （ G255F/1G8.12/ 0G:,RF91/X 简称 %H" D #>!%） 。 %H" D #>!% 不 58/8X,5,/. ,/.1.K， 改变 $%#&&’()6 数据链路层提供给 UW> D Y0,7 的服务， 也不改变与物理层的接口， 只是完成对数据报文的调 度管理。该数据链路层模型如图 6 所示。 %H" D #>!% 通信调度管理实体支持完全基于 #>L !"= #U 的自由竞争通信调度和基于分时发送的确定
.
工业控制网络的实时性要求
用于工业自动化系统的网络通信技术来源 于 JK
要求、 L 为 时 间 同 步 精 度 P L0、 " 为时间同步精度 P L##:0、 $ 为时间同步精度 P L#:0、 Q 为时间同步精度 P M 为时间同步精度 P L## 0、 % 为时间同步精度 P L:0、 ! 以及 R 为时间同步精度 P L L# 0、 0。 ! !
图(
%H" 系统网络拓扑结构
在 %H" 系ຫໍສະໝຸດ Baidu中， 将控制网络划分为若干个控制区
! " 种主要实时以太网通信协议分析
根据实时以太网实时扩展的不同技术方案， 可将 实时以太网通信协议模型分为 C 类， 如图 * 所示。图 中： 一般工业以太 ! 是经过常规最大努力提高实时性， 网的通信协议模型； " 采用在 <#H = $H 之上进行实时数 据交换方案； # 采用经优化处理和提供旁路实时通道
问控制 （!"#） 网桥” 规范和 $%%% &’( )*+” 局域网虚拟 网桥” 规范、 对其没有进行任何实时扩展 （ ,-.,/012/） 而 实现的以太网。通过采用减轻以太网负荷、 提高网络 速度、 采用交换式以太网和全双工通信、 采用信息优先 级和流量控制以及虚拟局域网等技术， 到目前为止可 以将工业以太网的实时响应时间做到 3 4 *’50， 相当 于现有的现场总线。工业以太网在技术上与商用以太 网是兼容的。 对于响应时间小于 350 的应用， 工业以太网已不 能胜任。为了满足高实时性能应用的需要， 各大公司 和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技 术解决方案。这些方案建立在 $%%% &’( )6 标准的基础 上， 通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性， 并且 做到与 标 准 以 太 网 的 无 缝 连 接， 这就是实时以太网 （7,89 .15, %.:,7/,.，简称 ;<%） 。为了规范这部分工作 的行为， (’’6 年 3 月， $%# = >#?3# 专门成立了 @A** 实 时以太网工作组， 负 责 制 定 $%# ?*B&C D ( “ 基 于 $>E = 国 $%# &&’( D 6 的实时应用系统中工业通信网络行规” 际标准。该标准包括 #255F/1G8.12/ H72I19, J8519K ( %.:L ,7/,. = $H、 #HJ6 H;EJ$M%<、 #HJC H D M%<、 #HJ? $/.,7NF0、 #HJ*’ OM%< = $H、 #HJ** <#M%<、 #HJ*( %.:,7#"<、 #HJ*6 （中 国） 、 %.:,7/,. H2P,791/Q、 #HJ*C %H" #HJ*3 !2RNF0 = <#H 以及 #HJ*? >%;#E> 等 ** 种实时以太网行规集。 其中， 包括我国 %H" 实时以太网标准的 ? 个新增实时 以太网将以 $%# H"> （ SFN91G9K 8T8198N9, 0S,G1I1G8.12/） 公共 可用规范予以发表。在上述实时以太网技术中， 将有 %H"、 %.:,7#"<、%.:,7/,. H2P,791/Q、H;EJ$M%<、!2RNF0L $U" 和 %.:,7/,. = $H 等 ? 个主要的竞争者。
图*
实时以太网按实时扩展方案分类
性通信调度。对于第一种通信调度， %H" D #>!% 直接
%+,-$.. &/0,1&02,3 23.0+/1$30&02,3 4567 ’" 357 ( &89:6 ’))*
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万方数据
论六种实时以太网的通信协议
缪学勤
问关系、 基于 C.& 的设备描述语言等方面的特色， 并 拥有完全的自主知识产权。目前， "#$ 已有多种产品， 包括基于 "#$ 的变送器、 执行器、 现场控制器、 数据采 集器、 远程分散控制站、 无纸记录仪等。基于 "#$ 的 分布式网络控制系统已在化工厂得到成功应用。
+1:- &+,-8*-+ /8- ?1@-*A B1C 23 :/D28 <2::4*1</+12* 782+2<2;0 23 8-/; +1:- &+,-8*-+ /8- 5--7;6 /*/;6E-5 /*5 02:- 23 +,- <81+1</; +-<,*2;2?1-0，- A ? A ， :2F +12* <2*+82;，*-+=28> 0-<481+6 /*5 &+,-8*-+ -C+-*012* +2 31-;5 -9417:-*+ ;-@-; /8- -C724*5-5A G-/*=,1;- +,- +-<,*2;2?6 /*5 0+/*5/85 23 &’( 8-/; +1:&+,-8*-+ 1* 248 <24*+86 /8- 5-0<81.-5 <2:78-,-*01@-;6 A ()*+,%-# H-/; ! +1:- 7-8328:/*<H-/; ! +1:- -C7/*012* H-/; ! +1:- &+,-8*-+ G2+12* <2*+82; I-+=28> 0-<481+6 &+,-8*-+ -C+-*012*
论六种实时以太网的通信协议
缪学勤
论六种实时以太网的通信协议
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缪学勤
（上海工业自动化仪表研究所， 上海 "##"$$）
摘
要
在研究工业网络实时性要求的基础上， 给出了工业以太网和实时以太网的定义， 深入分析了 % 种主要实时以太网的通信协
信息技术的计算机网络技术， 但是又不同于一般的计 算机网络通信， 这是因为 JK 网络通信是以传递信息为 最终目的， 而工业控制网络传递信息是以引起物质或 能量的运动为最终目标。所以， 用于测量和控制的数 据通信的主要特点是： 允许对事件进行实时响应的事 件驱动通信； 很高的可用性； 很高的数据完整性； 在有 电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作； 使用工厂 内专用的传输线等。其中， 最主要的要求是网络通信 的高实时性。实时 （ 8-/; +1:-） 的含义是指数据处理就 像发生在数据产生的时刻， 其响应没有大的延时。 对于工业自动化系统来说， 目前根据不同的应用 场合， 将实时性要求划分为 $ 个范围， 它们是： 信息集 成和较低要求的过程自动化应用场合， 实时响应时间 要求是 L##:0 或更长； 绝大多数的工厂自动化应用场 合实时响应时间的要求最少为 M N L#:0； 对于高性能 的同步运动控制应用， 特别是在 L## 个节点下的伺服 运动控制应用场合， 实时响应时间要求低于 L:0， 同步 传送和抖动小于 L 0。工业控制网络的实时性还规定 ! 了许多技术指标， 如交付时间、 吞吐量、 时间同步、 时间 同步精度、 以及冗余恢复时间等。对于这些性能指标 都有详细的规定， 例如， 我国制定的 “用于工业测量与 控制系统的 &’( 系统结构与通信规范” 国家标准中规 即 # 为无精度 定网络的时间同步精度分为 O 个等级；
万方数据
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《自动化仪表》 第 ’" 卷第 ( 期
’))* 年 ( 月 的通信协议模型； $ 采用集中调度提高实时性的解决 方案； “集总帧” 通信方式 % 采用类似 $/.,7NF0 现场总线 和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。 图中同时给出了 ? 种实时以太网技术方案的归类情 况。由于实时以太网技术涉及很多方面， 限于篇幅， 这 里仅对通信协议作简要论述与分析。 ! V# 我国的 $%& 实时以太网 （ %.:,7/,. I27 S98/. 8F.258.12/） 用于工业测量与 %H" 控制系统的以太网标准在国家科技部 “&?6” 计划的支 持下， 由浙江大学、 浙大中控、 中科院沈阳自动化所、 重 庆邮电学院、 大连理工大学、 清华大学等单位联合组成 的以浙江中控技术股份有限公司总裁金建祥教授为组 长的标准起草工作组起草。 它由两级网络组 %H" 网络拓扑结构如图 ( 所示， 成， 即过程监控级 W( 网和现场设备级 W* 网。现场设 （如变送 备级 W* 网用于工业生产现场的各种现场设备 器、 执行机构和分析仪器等） 之间以及现场设备与 W( 网的连接。过程监控级 W( 网主要用于控制室仪表、 装 置以及 人 机 接 口 之 间 的 连 接。无 论 是 W* 网 还 是 W( 网， 均可分为一个或几个微网段。
议， 并概要论述了以太网运动控制、 网络安全和以太网延伸至现场设备级等关键技术。同时， 较全面地概述了我国 &’( 实时以太网技 术及其标准。 关键词 !"#$%&’$ 实时性 实时扩展 实时以太网 运动控制 网络安全 & 网延伸 )* +,- ./010 23 +,- 0+456 472* +,- 8-9418-:-*+ 23 8-/; +1:- 7-8328:/*<- 23 1*540+81/; *-+=28>，+,- 5-31*1+12*0 23 1*540+81/; &+,-8*-+ /*5 8-/;