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施耐德电气全面提高工业以太网实时性

信息来源:chuandong.biz  时间:2010-06-12  浏览次数:103

  施耐德电气一直致力提升工业以太网在可靠性、确定性和实时性等诸多方面的性能,在PlantStruxure协同自动化控制系统中,从控制层到设备层的通讯都全面基于“透明就绪”工业以太网解决方案平台。在这一平台之上,施耐德电气将在IEC61158中定义的两种实时工业以太网EtherNet/IP和ModbusTCP技术进行了无缝融合。从以太网的实时性角度来说,为了能够避免PLC程序执行周期对于数据采集实时性的影响,Unity平台控制器中集成了两块控制器芯片,分别执行程序处理和以太网通讯。通过UnityPro软件可以将I/O扫描的最小周期配置为5ms,从而实现与远程I/O系统的实时通讯。同时Modbus-RTPS(实时发布与订阅)服务可以在确定的时间点,完成将实时数据在由D类IP地址定义的一组以太网设备之间的数据发布和订阅。
  由于工业以太网在实时应用领域仍处在发展阶段,所以在如下应用中,实时性表现还亟待提升:传动应用,如冶金轧线、造纸,其对于多辊系统的线速度实时调节有很高要求;高速机械,如机床、汽车高速升降设备,主要靠高速传感器的输入执行逻辑控制和高速输出;给料系统,需要通过来自称重系统的高速输入控制给料阀确保给料量精确。
  从技术和应用角度出发,如下问题制约着工业以太网实时性的进一步发展:
  1.冲突监测机制。IEEE802.3在MAC层定义的CSAM/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机制由于引入了冲突机制,虽然随着以太网全双工机制的引入以及通讯带宽的不断提升,冲突发生的几率已经大大降低,但是本质上还是为工业以太网的实时性埋下了一定隐患。如果要进一步提升实时性的表现,CSMA/CD的退避算法需要进行升级。也就是说一旦监测到冲突,退避的间隔时间需要进一步减少,从而提高实时性。
  2.交换机性能的提升。在整个数据采集-处理-输出的工程中,网络节点设备也是造成延时的主要因素。虽然随着交换机性能的不断提升,发生在交换设备上的延时往往被控制在10μs之内,但是当网络负荷较大时仍然对网络的实时性产生严重的影响。所以如QoS和HOLBlockingPrevention等服务需要集成到交换机设备之中。
  3.网络体系与通讯设备处理的性能。数据在网络上传输的延时也会对实时性有着很大的影响。由于在规划工业以太网在设备层网络负荷时,一般不超过总带宽的30%,所以进一步提升网络的带宽十分必要。同时,作为可以提供更高EMC表现,更快传输速度的光纤方案也会有助于实时性的提升。随着芯片技术的提升,通讯节点对于数据包的处理能力和速度也会不断提升,进而提升以太网的实时性。
  PLC等控制系统的功能发展也对工业以太网技术的实时性有一定的影响。对于90%的工业应用,其PLC扫描周期在10ms~10s之间,但是在精益制造和低碳节能理念不断发展的大趋势下,PLC系统功能的发展,尤其是PLC处理能力的提升将是PLC发展的大势所趋。当传统工业对于PLC扫描周期的要求愈加苛刻时,对I/O数据采集和与其他设备的通讯实时性要求也势必需要随之提升,因此工业以太网技术的实时性也必须顺应这一趋势,尤其是在网络延时控制、通讯处理能力方面进一步提升性能,才能完成在工业领域里对高速总线,如CANopen和SERCOS的全面取代。
  施耐德电气一直致力提升工业以太网在可靠性、确定性和实时性等诸多方面的性能,在PlantStruxure协同自动化控制系统中,从控制层到设备层的通讯都全面基于“透明就绪”工业以太网解决方案平台。在这一平台之上,施耐德电气将在IEC61158中定义的两种实时工业以太网EtherNet/IP和ModbusTCP技术进行了无缝融合。从以太网的实时性角度来说,为了能够避免PLC程序执行周期对于数据采集实时性的影响,Unity平台控制器中集成了两块控制器芯片,分别执行程序处理和以太网通讯。通过UnityPro软件可以将I/O扫描的最小周期配置为5ms,从而实现与远程I/O系统的实时通讯。同时Modbus-RTPS(实时发布与订阅)服务可以在确定的时间点,完成将实时数据在由D类IP地址定义的一组以太网设备之间的数据发布和订阅。
  由于工业以太网在实时应用领域仍处在发展阶段,所以在如下应用中,实时性表现还亟待提升:传动应用,如冶金轧线、造纸,其对于多辊系统的线速度实时调节有很高要求;高速机械,如机床、汽车高速升降设备,主要靠高速传感器的输入执行逻辑控制和高速输出;给料系统,需要通过来自称重系统的高速输入控制给料阀确保给料量精确。
  从技术和应用角度出发,如下问题制约着工业以太网实时性的进一步发展:
  1.冲突监测机制。IEEE802.3在MAC层定义的CSAM/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机制由于引入了冲突机制,虽然随着以太网全双工机制的引入以及通讯带宽的不断提升,冲突发生的几率已经大大降低,但是本质上还是为工业以太网的实时性埋下了一定隐患。如果要进一步提升实时性的表现,CSMA/CD的退避算法需要进行升级。也就是说一旦监测到冲突,退避的间隔时间需要进一步减少,从而提高实时性。
  2.交换机性能的提升。在整个数据采集-处理-输出的工程中,网络节点设备也是造成延时的主要因素。虽然随着交换机性能的不断提升,发生在交换设备上的延时往往被控制在10μs之内,但是当网络负荷较大时仍然对网络的实时性产生严重的影响。所以如QoS和HOLBlockingPrevention等服务需要集成到交换机设备之中。
  3.网络体系与通讯设备处理的性能。数据在网络上传输的延时也会对实时性有着很大的影响。由于在规划工业以太网在设备层网络负荷时,一般不超过总带宽的30%,所以进一步提升网络的带宽十分必要。同时,作为可以提供更高EMC表现,更快传输速度的光纤方案也会有助于实时性的提升。随着芯片技术的提升,通讯节点对于数据包的处理能力和速度也会不断提升,进而提升以太网的实时性。
  PLC等控制系统的功能发展也对工业以太网技术的实时性有一定的影响。对于90%的工业应用,其PLC扫描周期在10ms~10s之间,但是在精益制造和低碳节能理念不断发展的大趋势下,PLC系统功能的发展,尤其是PLC处理能力的提升将是PLC发展的大势所趋。当传统工业对于PLC扫描周期的要求愈加苛刻时,对I/O数据采集和与其他设备的通讯实时性要求也势必需要随之提升,因此工业以太网技术的实时性也必须顺应这一趋势,尤其是在网络延时控制、通讯处理能力方面进一步提升性能,才能完成在工业领域里对高速总线,如CANopen和SERCOS的全面取代。

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