胡振豪+左小五+萬紅平

摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT以實(shí)時(shí)性好、拓?fù)潇`活、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，研究控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能有效提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身的實(shí)時(shí)性，減少傳輸過程中的通信延時(shí)。研究工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的實(shí)時(shí)性解決方案，提出基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信延時(shí)計(jì)算方法，通過實(shí)驗(yàn)構(gòu)建一個(gè)基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀形成所需時(shí)間，以及從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)、在介質(zhì)的傳播延時(shí)及主站接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，分析工程中通信延時(shí)的各組成部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，EtherCAT具有良好的實(shí)時(shí)性，能夠滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)性需求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；EtherCAT；實(shí)時(shí)性；通信延時(shí)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172309

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0179-03

0 引言

實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)對某事件反應(yīng)時(shí)間的可測性，是控制系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一[1]。以太網(wǎng)采用多路存取監(jiān)聽碰撞檢測（CSMA/CD）的方式，無法保證延遲時(shí)間和通信響應(yīng)，使以太網(wǎng)不能滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)時(shí)性需求[2]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前幾種主流的工業(yè)以太網(wǎng)都提出了各自的實(shí)時(shí)性解決方案。Ethernet/IP和Modbus/TCP采取的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件及標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧，通過對應(yīng)用層協(xié)議的合理控制，以減小通信過程中的不確定性；Powerlink、EPA和Profinet采取的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，但對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了一些改進(jìn)，通過某種時(shí)間控制層訪問以太網(wǎng)資源，進(jìn)而控制數(shù)據(jù)傳輸過程，達(dá)到延時(shí)可控效果[3]；而EtherCAT采取的方法是僅利用以太網(wǎng)物理層的專用從站，并對協(xié)議進(jìn)行了修改。對于實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)采用介質(zhì)訪問控制方式，對于非實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)則按照原先的通信協(xié)議傳輸[4]。實(shí)際上，EtherCAT采用了InterBus的集總線幀技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層提供的I/O節(jié)點(diǎn)需要更新的數(shù)據(jù)由FMMU模塊直接集成到數(shù)據(jù)幀格式中發(fā)送出去，此過程在從站硬件中實(shí)現(xiàn)[5]，因此減少了延遲時(shí)間，確保了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性需求。

1 EtherCAT實(shí)時(shí)性

影響EtherCAT實(shí)時(shí)性的因素主要包括網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在自身系統(tǒng)硬件及規(guī)模等方面，而網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性則體現(xiàn)在通信延時(shí)的高低。通信延時(shí)是指控制器與所在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通信一個(gè)周期所需的時(shí)間，在EterCAT網(wǎng)絡(luò)中，通信延時(shí)TEtherCAT由數(shù)據(jù)幀形成所需時(shí)間TData、從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)TNode、電纜介質(zhì)傳播延時(shí)TMedium以及主站接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)TMaster幾部分組成[6]。因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中的通信延時(shí)為：

1.1 數(shù)據(jù)幀形成所需時(shí)間TData

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，有兩種尋址方式：設(shè)備尋址和邏輯尋址。根據(jù)EtherCAT的報(bào)文格式，如圖1所示，在使用設(shè)備尋址時(shí)，每個(gè)從站都有一個(gè)16位的本地地址空間，EtherCAT可以通過設(shè)備的位置地址和節(jié)點(diǎn)地址尋址[7]。使用邏輯尋址時(shí)，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)32位的邏輯地址空間，從站利用FMMU將數(shù)據(jù)從邏輯過程數(shù)據(jù)鏡像映射到其本地地址空間，當(dāng)主站配置好FMMU時(shí)，從站即可根據(jù)FMMU中的配置信息在邏輯過程數(shù)據(jù)鏡像中通過邏輯地址空間尋址。因此，數(shù)據(jù)幀形成所需的時(shí)間TData根據(jù)兩種尋址方式的不同而有所不同。

因?yàn)镋therCAT保留以太網(wǎng)幀的格式，報(bào)文不能低于64Bytes，如圖1所示，其附加字節(jié)達(dá)到32Bytes，因此在所需傳輸數(shù)據(jù)量長度小于32Bytes時(shí)，需要增加一個(gè)補(bǔ)充位DPad，此時(shí)數(shù)據(jù)幀形成所需的時(shí)間為：

1.2 從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)TNode

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，從主站向從站方向傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，從站需要接收處理自己站的對應(yīng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)處理延時(shí)。而從最后一個(gè)從站回傳給主站的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過之前的從站時(shí)，從站不再作處理，因此只有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。EtherCAT支持兩種類型的物理層：以太網(wǎng)物理層和EBUS[8]。從站物理層接口是MII，則需要外接以太網(wǎng)物理層芯片PHY和電壓隔離器，這會增加接收和轉(zhuǎn)發(fā)的額外時(shí)間Textra，但這種方式支持100BASE-TX和100BASE-FX接線，使兩節(jié)點(diǎn)間最大間距達(dá)到100m和2km，適合較遠(yuǎn)距離的傳輸。而EBUS的物理層使用基于ANSI/TIA/EIA-644的低壓差分信號（LVDS），速度可達(dá)100Mbit/s，EBUS不僅可以攜帶EtherCAT幀，而且可以攜帶任何以太網(wǎng)幀。從站接口是EBUS，則不需要外部芯片，但是傳輸距離最大僅為10m，常用于背板的總線[9]。因此，根據(jù)從站節(jié)點(diǎn)接收口P0與發(fā)送口P1類型不同，延時(shí)TNode會有以下幾種情況，如表1所示。

1.3 主站接收與轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)TMaster

主站是由一個(gè)MII口和一個(gè)EBUS口組成的，主站的接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)TMaster是由MII到EBUS的處理延時(shí)TM_E_P和EBUS到MII的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)TE_M_F組成的。因此，主站的接收和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)為：

1.4 在介質(zhì)中的傳播延時(shí)TMedium

一般信號在電纜中的傳播延時(shí)為4.3ns/m，在光纖中的傳播延時(shí)為5ns/m，所以在電纜介質(zhì)的傳播延時(shí)為：

2 工程應(yīng)用及通信延時(shí)計(jì)算

現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)，組建某工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，圖2為該工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用雙線環(huán)網(wǎng)冗余，共有32路I/O模塊71個(gè)，擴(kuò)展模塊12個(gè)，耦合模塊12個(gè)。

I/O模塊為EBUS輸入、EBUS輸出，耦合模塊為MII輸入、EBUS輸出，末端模塊為EBUS輸入、MII輸出。圖中從站較多，為方便計(jì)算，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖簡化，簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。endprint

2.1 通信延時(shí)計(jì)算

2.1.1 數(shù)據(jù)幀形成所需時(shí)間TData計(jì)算

因?yàn)橄到y(tǒng)中大多為I/O數(shù)據(jù)，采用周期性過程數(shù)據(jù)采集，因此一般采用邏輯尋址，根據(jù)式（5）、（6）得出數(shù)據(jù)幀形成所需的時(shí)間為：

2.1.2 從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)TNode計(jì)算

根據(jù)倍福公司提供的硬件數(shù)據(jù)[10]，如表2所示，可以得到各種類型從站的節(jié)點(diǎn)延時(shí)。I/O模塊輸入輸出接口都為EBUS，則其普通輸入輸出的從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)TNode_EE為280ns；耦合模塊的輸入接口為MII，輸出接口為EBUS，則耦合模塊的從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)TNode_ME為770ns；擴(kuò)展模塊輸入為EBUS，輸出接口為MII，則擴(kuò)展模塊的從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)TNode_EM為770ns。因此，從站節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀延遲時(shí)間為：

2.1.3 主站接收與轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)TMaster計(jì)算

根據(jù)式（8）計(jì)算得到主站接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的延遲時(shí)間為：

2.1.4 電纜介質(zhì)傳播延時(shí)TMedium計(jì)算

該工程系統(tǒng)采用的是環(huán)網(wǎng)，在線路正常，沒有出現(xiàn)故障的情況下，數(shù)據(jù)幀在電纜中不存在來回傳輸，因此電纜長度即為數(shù)據(jù)在電纜介質(zhì)中傳播的長度。據(jù)估計(jì)，工程中需用電纜長度500m，光纖長度16km，因此根據(jù)式（9）可計(jì)算得數(shù)據(jù)幀在電纜介質(zhì)中的傳播延遲時(shí)間：

2.2 結(jié)果計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)和式（1），得到該工程中的通信延時(shí)為：

在介質(zhì)中傳播延時(shí)占通信延時(shí)的百分比：

工程約有100個(gè)節(jié)點(diǎn)的2 000多個(gè)開關(guān)量I/O，以及16.5km長的線路，基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT構(gòu)建的如此規(guī)模的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，通信延時(shí)僅為0.12ms，在介質(zhì)中傳播延時(shí)占通信延時(shí)的68%，幾乎將實(shí)時(shí)性做到了極致。相比于profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中相同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，通信延時(shí)最多可達(dá)到10ms，遠(yuǎn)高于EtherCAT。而且在對實(shí)時(shí)性要求較高的控制信號進(jìn)行通信時(shí)，一般采用實(shí)時(shí)性較好的I/O通信，在對實(shí)時(shí)性要求不太高的采集信號進(jìn)行通信時(shí)，則一般采用非實(shí)時(shí)性通信。在EtherCAT中，通信延時(shí)要比許多現(xiàn)場總線I/O的延時(shí)低，因此很多傳感器的采集信號、電壓電流信號都可采用實(shí)時(shí)通信的方式。EtherCAT良好的實(shí)時(shí)性不僅滿足了工業(yè)控制的需求，而且改變了行業(yè)內(nèi)一貫的通信方式。

3 結(jié)語

綜上述，在本文構(gòu)建的基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的工程系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，從站節(jié)點(diǎn)延時(shí)與介質(zhì)傳播延時(shí)為通信延時(shí)的主要組成部分。因此，系統(tǒng)的規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)是影響系統(tǒng)通信延時(shí)的重要因素。通過計(jì)算分析通信延時(shí)的各個(gè)組成部分，可以系統(tǒng)地分析該工程的延遲時(shí)間，進(jìn)一步驗(yàn)證了工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線具有良好的實(shí)時(shí)性，為工業(yè)控制提供了一種新的思路。

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