以太网在工业控制中的应用_6
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摘要:1 引言 以太网发端于1973年在美国xerox公司paloalto研究中心工作的metcalfe与boggs2人所设计的一种以同轴电缆位共享介质的实验网络。万兆位以太网规范ieee802.3ae被批准为ieee正式标准,标志着

1 引言

  以太网发端于1973年在美国xerox公司paloalto研究中心工作的metcalfe与boggs2人所设计的一种以同轴电缆位共享介质的实验网络。万兆位以太网规范ieee802.3ae被批准为ieee正式标准,标志着以太网技术已经从一项只能传输数据的基于共享介质的半双工局域网技术发展成一项覆盖局域网、城域网和广域网的综合性技术。成为目前最为流行的局域网体系结构。以太网最典型的应用形式是ether+tcp/ip,即灵活的ethernet底层加上几乎以成通用标准的网络传输协议tcp/ip,使得以太网能够非常容易的集成到以internet和web技术为代表的信息网络中。

  大多数网络软件使用tcp协议。并且在以太网中,tcp从不被设计去传送实时操作。它提供可靠传送,但是这意味着重发丢失的信息包,而不管是否导致延迟。它提供安全连接,但是这意味必须管理和等待许多资源。为了实时通讯,通常为其他用户设计网络堆栈。

2 实时以太网硬件

  2.1 csma/cd backoff运算法则

  大多数ip-based lans使用流行的802.3以太网网络标准。此以太网提供快速、高效率传输,速率为10或100mbps。但是在工业控制环境中,以太网不提供确定的节点访问网络时间。它使用一个仲裁运算法则,命名为带有冲突检测的载波侦听多路存取(csma/cd)。通过使用csma/cd决策算法,在发送数据之前每个节点都监控线路。如果节点发现线路空闲,它就开始传送。否则,它就一直等待到空闲。大多数时间,监控线路能确保避免冲突发生,如图1所示。

  此以太网足够快,以至于节点等待线路空闲的时间仅仅带来一个小跳跃延迟。这样有1个可能性,2个节点将同时等待同样的传送到终端。在这种情况中,它们都将探测到一个空闲线路,并在同时开始传送。这将导致1个冲突,两节点必须为访问作出决断如图2所示。

  图2 当有两个节点等待使用线路时,大多数冲突就会发生。当第一个节点完成传送,另外两个节点将开始试图在同一时间去发送。

  当一个节点发现一个冲突,它将退让并在再次尝试之前等待两个时隙(slots)。如果再试失败,最大等待时间将加倍,节点将等待下一个随机周期。运算法则持续,直到网络被捕获。在一个10mbps的网络上,时隙是51.2s。在一个100mbps网络上,一个时隙仅仅5.12s。但是当运算法则不能持续运行,在10次尝试之后(1024个时隙延迟slotdelays)它将停止加倍,在16次尝试之后宣告失败。因此,指数级backoff运算法则将导致不可预知延迟的产生。

  2.2 分析

  在带有以太网的工业控制实时运行过程中,不可预知的反应时间没有带来什么影响。在隔离的子系统中,很多应用软件如果运行在高速、临界实时应用中,运行速率在103hz以上。它将怎样呢?

  为了解释这个问题,我们将分析一个冲突的概率和这些错误带来的后果。我们假定:我们正工作于一个隔离的以太网子系统上。但这不意味着它不能被连接到外部世界,但是它被一个网桥、网关或者路由器从全局计算机(例如,服务器)网络中隔离。这样,我们对于在网络上信息流有合理的认知。l网络通信包括很多小的信息包,所有大小都一致。这是实时控制通信的象征。

  相对轻的负荷,或者最起码不是极重负载,因此我们能安全的忽略故障情况。

  现在设定:在同一时间,两个节点同时开始传送导致一个直接冲突的概率是非常小的。如图2显示,这很象当网络忙时你开始传送,一直等到传送结束,然后同另一个节点的冲突也正等待。如果信息包从很多的节点随机抵达网络上,依照poisson分配,给出到达概率分配:

  这里: 等待的概率=1-fx (2)

  很多节点冲突是正常的。使用很小数量节点,冲突的可能性是小的。对于两个正发送的节点,仅有很小概率,同一直接冲突可能发生。多数冲突需要起码三个节点同时发送数据,除非当前发送的节点有另一个立即开始传输的准备。在同一时间三个节点(1个激活,2个等待)仅是一个负概率,它是0,1,或2信息包抵达:等待的概率=1-fx(2)

  然而,我们期望起码有两个等待节点,一个分数的pwait时间。在一个轻负载网络上,多于等待的两个节点概率与pwait相比是可以忽略的。

  我们做一个保守的假设,两个等待节点将经历一个冲突。从这个点出发,竞争的信息包执行csma/cd规则:开始他们互相从设置{0、1、2}中选择一个数字。如果他们选择同样的数字,然后他们从{0、1、2、3、4}中选择一个数字,如此类推。我们寻找错误事件,在他们持续这个程序直到退让时间超过tmax。

  在开始时,他们选择同样数字的概率是1/3,第二次他们选择同样数字的概率是1/5,以此类推。持续n次的概率是:

  pwait=1-e-f [1+f+f

  为进一步了解,在表1中列出这些计算值。

  在任何一个信息包传送上我们导致一个错误的概率是我们演示程序的概率,我们可能丢失它的n次次数,在这里n是必须超过的时间tmax延迟跟踪数目。

  现在我们返回发现整个过程发生这种的可能性。在任何一个传输中不导致错误的概率是1-perr.然而,在m次传输中,不招致一个错误的概率是:

  pok=(1-perr)m (6)

  m次阶数:

  m=ln(pok)/ln(1-perr) (7)

  m是在导致一个tmax或更多的延迟之前,我们能盼望去发送的传输数目。

  2.3 相关的计算机辅助软件工程研究

  对于可接受错误的概率,我们能发现我们所期盼出现错误能够正常运行多长时间,对于一个给定的信息包尺寸、传输速率和最大可接受延迟。结果是令人鼓舞的。例如,我们可以说在一个100mb以太网上,每秒发送64-byte信息包,我们可以99%确信,在大约十亿年间将不会因冲突引起超过3ms的延迟。使用一个10mb以太网,你能99%确信在9年中,将不会有超过7ms的延迟。当然,随着负载和更短的延迟,性能迅速降低。在一个10mb以太网上,你能99%确信没有》2ms延迟以每秒1000128-byte信息包(大约1/10理论带宽)对于1.3hr。这往前达到300,000年,在一个更快的100mb以太网上。

  从可靠性方面看待这个问题,给出一个产品寿命和一个负载状况。图3描述出一个5年使用周期产品的可靠性,在一个100mb的网络上,它不能容忍大于1.5ms的延迟。

  图3显示在5年的期间在一个100mb以太网上任何时间出现大于1.5ms的延迟机率。纵轴是网络负荷,显示100mb的百分数。在低负荷上,网络显示高可靠性。横轴是网络负载,表示作为100mb的百分数。正如你所看到的,低负载,网络就相应有高可靠性。

  在表2中,列出几个其它具有代表性的负载情况。

  表2显示一个5年寿命产品的预知可靠性。最后一列显示在5年期间网络运行没导致特殊延迟的概率。大多数控制应用软件能顺畅地运行在一个100mb网络上。如果一个5ms的延迟是可接受的,那可工作在一个10mb网络上。

  这些法则将帮助你设计你的网络。当然,这是一个理论的模拟值,应该通过试验测试验证。虽然如此,在很多应用中性能等级是显然的。在隔离的网络上,我们的用户有运行电机控制回路应用程序,运行在千赫兹速率上。这里我们已经经历了反应测试,他们通常起源于操作系统反应时间,这些必须在任何实时代码中被监控。

  yeneral发电机做一个以太网的评估,作为一个plc通讯传送器。他们发现以太网相对于在广泛在实验测试中使用的现场总线要更快和更协调。自动化研究发现它作为一个控制网络的潜力是无限的。基本原因是:以太网可能是一个可靠的实时传输介质。

  2.4 交换开关的作用

  多数100base-t网络是通过网络集线器相连的,所有物理配线集中到中心的连接装置。一个集线器本质上是一个模拟放大器。所有通过它移动的通信有可能发生冲突。因而,一个集线器和梯级网络有相同冲突问题,就象传统细线或粗线的线性拓扑。但是交换开关能大大减少冲突。一个交换开关将网络划分为多重冲突域。通信抵达开关后仅被送到一个指定接收传送的域。然后,开关隔离通信,在不同域中的网络通讯不会竞争相同的线路。在极端情况中,一个交换开关集线器为每一个节点激活一个独立域,这样本质上没有冲突。仅有争议的是,在多重信息抵达为同一节点预置的开关时,多数开关支持存储的和先前的硬件去操作这些情况。因为这是在硬件中完成,它带来仅有的一些时间缝隙。因为转换开关和转换集线器变得更便宜,使得以太网将成为一个合算的、稳定性好的网络。

3 结束语

  以太网本质上只是一个物理层标准,虽然传输层和网络层的协议基本上统一到tcp/ip,也已为大多数工业控制其厂家所接受。但为了保证以太网上面产品间的可互操作性,还必须为所有报文创立统一的目标模型和公共应用层。以太网是灵活的,伸缩性很强,进入工业领域有着巨大的发展潜力。随着以太网在控制领域广泛应用,会使控制信息向共享化、低成本、开放性、标准性方向更进一步,这一点正是迈向信息时代,实现信息网络和控制网络的全面无缝集成所需要的。

作者:admin 来源:未知 发布于2019-06-18 14:10
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