基于以太网

工业通信方案的基本需求

Ethernet的历史
什么是今天工业级通信协议所期望的?
传统总线技术的问题：太慢、不够灵活、低的带宽，在同一个公司内部，几个不同且相互不兼容的网络类型存在于企业级、控制级、过程级和现场级，在这些网络之间进行通信几乎不大可能。
以太网方案是高度灵活的，并经测试和运行可靠的工业应用通信协议，但是标准以太网无法提供实时能力。
标准以太网的CSMA/CD机制使得它无法具有确定性。

究竟为什么是以太网？

以太网是在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术，不像其它系统，从那时到现在以太网的开发从没间断，许多公司进行了大量的投资，以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累和并在全世界分布。

以太网概况：

以太网是一个电缆级数据网络技术，它用于本地数据网络LAN，能够使本地的所有设备数据可以互联，例如，计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式，只是最开始，传统意义的LAN类型是受制于一个独立的建筑的，以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。

以太网标准定义了一个电缆和连接器类型，位信号在传输层的处理细节，以及特定包的格式和协议，参照OSI模型，以太网定义物理层和数据链路层，以太网或多或少包括IEEE802.3，自90年代以来，它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术，并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET，以及在特定应用环境应用的FDDI，以太网可以作为其它网络协议的基础协议如：AppleTalk，DECnet，IPX/SPX，或者TCP/IP。
由于广泛存在的对传统的现场总线的不满，自动化工业需要一个易于开发并在今后长期供应的技术设计。

然而，由于自动化的开发者相对独立使得开发这项的技术费用面临巨大挑战，显然，问题在于在消费行业快速发展的Ethernet技术能否被创新的应用到这里？在消费品领域，以太网取得了巨大成就，例如在办公室和游戏市场取得了越来越大的市场份额。
从早期的以太网变化到今天，系统通过不断的性能改善赢得用户，从10M到现在的100M，以及到当前的1G标准，同时10G的以太网技术也已经开发，开发者们正在开始尝试100Gbps的速度。

回到1999年，通信网络的要求

在世纪交替时，对于新的数据传输介质的需求不断上涨，尤其在伺服驱动技术，那时，这些伺服驱动器通常再用模拟量接口，例如+/-10V的电压或者电流信号来控制他们，新的驱动技术希望能够采用分布式的方案，并且可以在不同的驱动器之间交换数据。

较早的标准仅仅是用于几个驱动器之间来保持机器的充分运行，所有的机器运动传递还是通过链条，同步连杆等，然而，这些技术达到机械瓶颈时，它不再具备足够的柔性来满足新的需求，速度的改善对于系统而言采用传统的方案也已不大现实。

对于不同的分布式驱动器和电子控制器概念而言不同，一个机器的驱动器数量快速上升，来取代传统的机械轴意味着电子轴的使用，这种每台机器的驱动器用量的爆发是基于分布式的概念，另外，这些新的驱动器必须能够传输大量的数据。

虚拟轴必须允许动态的调整，例如，改变产品的生产无需耗费多的时间过程，需要多种新的网络技术来使得这种可能得到以实现，这个时候，大体的结论就是以太网的特性是这种网络需求的理想基础。

1999-系统特性的研究

真正的物理以太网特性
- 最低限度的电磁干扰
- 已经测试和应用的介质
- 数以亿计的现有安装
- 兼容所有的国际标准(EMC，FCC…)
完全遵循标准以太网帧
- 标准硬件
- 标准的诊断系统
- 一个或相同的硬件可用于不同的软件协议
完全的软件解决方案
- 询问/回答确认数据通信
- 生产/消费者原理
- 移植到千兆以太网
硬件实时
- 妥协的定性特性
- 低抖动
- 系统级别同步
- 适用于所有严格时间要求的控制应用
直接交叉通信
- 离开主系统的自治
- 机器安全
- 没有没必要的系统负载
提供通用数据诊断带宽
- 即使在设备最高运行速度状态下的并行诊断
- 为标准以太网帧定义空闲时间
适应于所有拓扑结构
- 树形和星形
- 菊花链或者环网
- 树形和线性拓扑的联合
所有的节点唯一的地址
- 节点开关
- 模块化机器的先决条件
- 维护事件的独立处理
热插拔和动态拔出
- 模块化机器-机电单元
- 在机器运行时可动态配置

POWERLINK是当今市场唯一的实时以太网系统，它能满足所有这些要求。

工业以太网 —— 一个解决许多难题的方案

自从传统的总线仅仅能够传输过程和工厂数据，基于以太网构造的优势得以体现-它能提供广泛并一致的通信方案，这种方案使得不同的应用领域集成到同一个系统中，当时，仍然存在几个不同网络覆盖的公司里不同区域，企业级IT网络，控制网络，一个现场总线层网络。而以太网允许链接所有层，从SAP的ERP和PC应用，到过程控制系统，一直到现场层应用。

这种一致的网络使得针对现场级的远程诊断和维护的访问可以进行，在多数公司，已经存在了以太网，非常容易通过桥接的方式来链接。
然而，被家用和办公室所熟知的以太网并不适合工业自动化应用，它不支持实时性数据通信，也不能支持自动化所需要的安全和保密特性。

实时性要求多快？

实时性与时间间隔相关-通过定义，实时性意味着在触发一个事件和它的发生之间的时间间隔越短越好，并且这个时间间隔是可以预先定义的，应用被设计为最快的时间帧，而微小的延迟不影响需要的输出，仅仅需要软实时。
在很多工业应用中，延迟不能被精确的预先设定可能会导致不可预期的结果，例如，现在的伺服轴通常的同步速度在16kHz，给定的控制循环仅仅几百个微妙，即使信号-数字微秒范围的延迟也将使得控制精度打折扣，因此，这些自动化应用需要硬实时：所有的链接必须是精确同步，所有由网络导致的延迟必须预知并可被预测。

CSMA/CD的数据碰撞控制机制

通俗的讲，以太网是依照共享介质机制来运行的，这意味着，在任意给定时间，所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号，每个设备被赋予了一个独立的MAC地址（介质访问控制），它确保了所有网络节点的确定标识，为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞，以太网使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），就是指，每个节点侦听网络，如果它发现没有信号正在传输，它就可以发送，然而，某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失，在这种情况下，碰撞检测阻止该节点的发送，在一个任意的间隔过后，节点尝试一个新的数据发送，数据传输没有数据丢失，但是，这会影响速度。

如果一个设备正在发送，其它节点保持直到线路清除，如果两个设备试图在同一个时间发送数据，CSMA/CD分配自由等待期给他们，当这些时间过后，节点尝试新的发送。

碰撞阻止了同步数据的传输

因此，当这个原则赋予以太网相当大的灵活性的同时，也极大的影响了它的速度特性，结果是碰撞和CMA/CD机制使得在一个发送中的信号传输被滞后，而这个滞后在工业自动化应用是不可接受的。
交换机的使用可以潜在的降低数据碰撞，这些设备扮演了智能集线器的作用，给访问节点注册并路由数据到目标地址.结果是，它使得数据从一个节点到另一非注册节点之间的线性拥塞得以避免，这降低网络上总的数据碰撞，交换机缓冲数据包并一个接一个的发送，然而，交换机导致了数据传输的延迟而阻碍了实时性。因此，以太网的设计者寻求一种方案能够实现硬实时，设计了不同的方法来使得CSMA/CD机制导致的延迟被阻止，一些人尝试改变数据帧的大小，另外的添加定时开关装置，或者在传输层开发基于ASIC的编码方法，然而，这些方案，很多背离了以太网标准，结果是，用户很难理解，接受并集成这些系统。
以太网协议扩展POWERLINK是 100%兼容标准以太网的协议，这意味着通信协议完全是基于软件的，并且不使用任何私有的硬件，所有的应用可以使用标准硬件来实现，POWERLINK准备与标准以太网的开发来合并，这将更加开放，总之，是最有前途的系统。