1. 工业以太网
自20世纪80年代以来，为了满足工厂企业内部信息结成、综合自动化的需求，各大公司设计开发了多种现场总线协议，其中有20种被纳入IEC61158国际标准。但这些总线协议之间并不兼容，且现场总线的实现成本一般都比较高，开发难度也相对较大，阻碍了现场总线技术的发展。
以太网作为当今科技发展标志性技术，已经在局域网和广域网中取得成功，并普及到管理层及过程控制层。如果进一步在现场设备层中推广，能极大方便整个企业信息系统的垂直集成。因此大部分现场总线均已开始向以太网领域扩展，融合出工业以太网技术。工业以太网继承了标准以太网的物理层并兼容其数据链路层，因此能采用高性价比的标准PHY芯片及RJ45连接器，在减少成本的同时降低开发难度。目前工业以太网种类较多,国际标准IEC61784 包含有Modbus , Ethernet/ IP , ProfiNet , Tcnet , Vnet/ IP , Powerlink ,EtherCAT 以及Sercos III 等。
2. 实时性及相关问题
实时性的一个重要标准是时间的确定性，一个事件发生后，系统在一个可准确预见的时间范围内做出反应。
工业应用对实时性的需求根据应用场合可大致分为三个等级：工厂级的控制需求要求响应时间在1s左右即可，而过程级控制一般需要响应时间在10~100ms以内，实时性要求最高的是运动控制，要求响应时间在1ms以下，甚至达到几十us的量级。
以太网的传输速率可达100Mbps甚至1Gbps，足以满足工业应用的需求，但是却不能保证实现控制设备间的实时通信。这主要是因为标准的以太网协议是以CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测)技术为基础的，网洛上的各工作站对总线进行“监听”以确认总线是否空闲。如果空闲，它们就开始发送数据。如果两个工作站同时试图发送数据，冲突就产生了。在这种情况下，访问机制首先确保工作站停止传输数据，而后根据预定义的随机选择算法，工作站再次尝试发送数据。这个过程一直重复至冲突消失。上述机制保证了数据的安全发送，可是从确定性行为的角度来看，这却是一个很大的障碍。它允许数据传输时间可以被任意推迟，也就不能实现数据的实时通信。要想使以太网技术在不改变其现有标准的前提下更好的应用到工控领域，就要找到一种解决方案来解决这个问题。
3. 工业以太网的实时性方案
为了提高以太网的实时性，必须对通信模型进行修改，目前有以下三种方案：
(1)修改TCP(UDP)/ IP协议栈,增加实时调度来控制通信中的不确定因素,典型协议如Modbus /TCP、Ethernet/ IP等。这种方案的响应时间为几十毫秒，一般称为软实时工业以太网，适合100ms以上实时性要求的工厂级控制领域。
例，Modbus /TCP并未对Modbus本身的协议进行修改，而是将Modbus帧嵌入到TCP帧中，并采用面向连接的方式，每一个请求都要求一个应答。这种请求/应答的机制与Modbus的主/从机制互相配合，使得交换式以太网具有很高的确定性。
(2)修改数据链路层之上的协议如改变帧结构、优化调度方式等来保证实时性，但不改变硬件方案，典型的协议如Ethernet Powerlink、Profinet和EPA。这种方案的响应时间为1～10毫秒，一般称为硬实时工业以太网，适合过程控制领域。
例，Ethernet Powerlink引入了SCNM(时间槽通信网络管理)算法来保证通信的实时性。SCNM给同步数据和异步数据分配时槽，保证在同一时间只有一个设备可以占用网络，从而避免了网络冲突。在通信管理上引入了管理节点(MN)和控制节点(CN)，并将通信周期分为开始阶段、同步阶段、异步阶段和空闲阶段，使得每个周期可以有对应的时间域用于传输实时数据和标准以太网数据流，既能保证数据通信的实时性，又能传输标准的以太网数据。
(3)修改数据链路层协议，在实时通道内由实时MAC接管通信控制,避免报文冲突,简化数据处理,典型的协议如EtherCAT、SERCOS III、MECHATROLINK III等。这种方案带精确的时钟同步,响应时间为250μs 到1ms ,抖动小于1μs ,一般称为同步硬实时工业以太网，主要用于运动控制领域。
例，EtherCAT协议采用主从结构，主站负责发起EtherCAT报文帧，因为采用标准以太网的帧头和帧尾，主站可以使用标准以太网的物理层和数据链路层，即PC机的标准网口。从站需要根据地址从数据帧中提取输入数据并插入输出数据该帧的格式，该工作是在数据链路层由FMMU模块完成的，需要专门的MAC层芯片实现。
4. 小结
解决以太网实时性的基本思路：首先是明确传输通道，避免冲突；其次是减少处理时间，提高响应速度。其中第一点可以在MAC层实现，也可以在TCP/IP层实现，甚至在TCP以上的层实现。但实现的位置越靠近应用层，复用标准以太网的环节就越多，编解码等处理工作就越复杂，实时性也越差。而靠近物理层的实现方法需要放弃通用的以太网协议，甚至采用专用MAC芯片，这会带来开发难度的提高和成本的增加。
来源丨产业智能官
