主-从结构的实时工业以太网解决方案

将网络应用于工业通信的低层系统, 即现场设备层时, 传统上采用现场总线技术。现场总线必须处理控制器和传感器/执行器之间的实时通信问题[1,2,3,4], 而主-从结构是现场总线所采用的一个典型结构, 例如, Profibus-DP、SERCOS就采用了主-从结构。在Profibus-DP中通过传递令牌的方式来实现传输的同步, 而在S E R C O S中则由主设备发出周期开始和结束的信号, 从设备在接到同步信号后, 通过在自己的时间片内发送数据的方式实现传输的同步。在主-从结构中应用最多的还是“单主”结构, 即一个主设备 (控制器) 带多个从设备的结构, 本文主要考虑单主结构。主-从结构中, 信息流向具有明显的方向性, 多数情况下只有控制器和从设备 (例如伺服、I/O设备等) 之间的信息交换, 即主设备向从设备下传数据 (命令) 和从设备向主设备上传数据 (状态) 。在网络上传输的数据主要包含两类:周期数据和非周期数据。周期性数据是指需要周期性地交换的发生在控制器和传感器/执行器之间的数据。下面我们设计了一种方案, 对传输信息重新进行了分类, 增加了“零星实时数据”, 并采用了“分组轮询和组内时间片”以及“信息集总”的方法来减少同步抖动和提高传输效率。

1 基于分组轮询和组内时间片技术的解决方案

为了同时满足周期数据、零星实时数据和非实时数据的传输需求, 我们将通信周期分为3部分, 如图1所示:周期数据传输 (CRT) 、零星实时数据传输 (SRT) 和非实时数据传输 (NRT) 。图中tcycle表示一个通信周期所用时间, MF为非周期通信的通知信息, 它分为两种, 一种用来通知零星实时传输的开始, 一种用来通知非实时通信的开始。

在周期传输阶段, 由主设备广播信息 (MD) 表示一个周期的开始, 此信息中还包含主设备发给从设备的指令 (下行数据) 以及本周期中需要响应的从设备序列以指定组内成员 (通知信息) 。各从设备几乎同时接收到该广播信息, 只有被通知的设备才被分配时间片, 并在各自的时间片内和主设备进行通信以传输上行数据SD (从设备到主设备的数据, 本文简记为SD) 。本方案通过在同步信息中包含“通知信息”的方式可以将设备分为1个或多个小组, 而在每个小组内设备按所分得的时间片进行通信, 称为“分组轮询组内时间片”。

当从设备有零星实时数据需要传给主设备时, 在它传输周期数据时顺带将此情况汇报给主设备, 主设备将此情况记录插入零星事件FIFO (先进先出) 队列, 在当前周期数据传输完毕时主设备发通知MF给排在队列中的从设备允许它进行零星实时数据传输, 进入SRT阶段。如果本次通信周期不能完成所有的零星通信 (队列还没有空) , 则推迟到下个周期继续。

当周期数据和零星数据 (若有) 都传输结束后, 若当前通信周期还有空闲时间, 主设备发出通知MF进行非实时数据的传输, 进入NRT阶段。

图1中下半部分表示了周期同步时采用“周期内相对计时”方法的原理, 其中, t1, t2, …tn表示计时器应该设的相对同步信号的时间值, 当从设备收到周期开始的广播信号之后, 启动自身的计时器, 为其设置一个时间值 (图1中的ti) , 当计时器时间到时, 开始发送数据。如果采用IEEE 1588进行时钟同步, 为了不影响周期和零星实时信息的传输, 报文的发送在非实时信息传输阶段进行。

2 分析与执行评价

若t表示数据的发送时间, w表示传送时间 (如果采用交换机进行网络连接, w不仅包括线路的传播时延, 还包括交换机的处理时延;若采用直通式Hub, 则w只是线路的传播时延) , i表示设备编号, 为了避免冲突, 则分给设备i (代表主设备或从设备) 的时间片为ti+w i。如果用k表示分组中的设备个数, m为设备总数, 则一个通信周期中周期数据传输所占用的时间为:

作为对比, 在此给出单设备轮询 (每次询问一个设备) 的周期数据传输所占用的时间:

其中s表示询问帧的发送时间, p表示它的传送时间。

若用tsporadic表示零星数据传输所用时间, t n r t表示非实时数据传输所用时间, 则一个通信周期所用时间为:

从公式1、3可以看出, 周期通信的时间主要由分组中的设备数k决定, 分组越小, 周期越短, 这一特点便于保证下行数据的周期, 尤其是在开环应用场合。从公式1、2可以看出单设备轮询使得周期变长。

3 结语

根据前面的论述, 本方案具备下面几个优点。

(1) 下行数据的周期不依赖于设备个数, 所以可以通过调整分组将下行数据的周期控制在最小。而多数应用中, 下行数据的周期的保证比上行数据周期更重要。

(2) 由于MD将同步信号、下行数据、通知信息集于一身, 并且采用了信息集中组合的方法, 极大减少了数据交换频度。对于只传输下行数据的开环控制, 效果尤其明显。

(3) 特别考虑了零星实时数据的传输, 保证其时延具有确定性。

(4) 不需要修改以太网硬件, 实现容易且成本低。

论文的下一步工作是要将该方案应用于具体的系统 (数控系统现场设备通信) , 进行实际情况下的方案验证和评价。

摘要：随着以太网技术的发展, 尤其是以太网速度的提高给工业以太网向现场层发展创造了条件。本文考虑了主-从结构现场设备通信的特点, 设计了一个采用主-从结构的实时工业以太网解决方案, 讨论了该方案如何通过以太网来实现现场设备之间周期同步、实时确定性通信和小数据块有效交换的问题, 并对方案进行了分析。

关键词：工业以太网,主-从结构,现场设备,实时通信

参考文献

[1] 冯冬芹等.基于以太网的工业控制网络实时通信模型研究.仪器仪表学报[J].2005, 26 (9) .

[2] 缪学勤.论六种实时以太网的通信协议[J].自动化仪表, 2005, 26 (4) .

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[4] Interests group SERCOS (IGS) , (2003) .SERCOS-III (Third GenerationSERCOS interface[Online].Available:http://www.sercos.com/pressroom/pdf/SERCOS-III.pdf.