全面提高以太网实时性

        施耐德电气（中国）投资有限公司工业事业部自动化市场部总经理 徐伟先生

        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Modbus TCP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Unity Pro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HOL Blocking Prevention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。
        施耐德电气多种产品和技术都可帮助用户拥有更优秀的工业以太网实时性：
        1. ConneXium工业交换机提供了QoS (Quality of Service) 和HOL Blocking Prevention (预防头包阻塞功能) 服务。QoS为所有网络上传输的Packet设置了相应的优先级；“预防头包阻塞功能”则可以在交换机同一个端口的缓存里设置两个具备不同优先级的队列，从而保证了预设值为高优先级的通讯能具备更好的实时性。
        2. Unity控制器平台的CPU模块中集成了两块分别来自Intel和Phoenix的处理器芯片，使得与以太网通讯的相关操作不会影响程序处理能力，从而完成真正意义上的并行处理。
        3. 在设备层的网络里使用了以太网菊花链拓扑结构，可以保证当设备接受到Packet时只需确认整个包的目的地址是否是自己的IP地址，避免了复杂的路由表查找工作而缩短了延时。
        工业以太网作为施耐德电气协同自动化系统的重要组成部分，将不断得到施耐德大力的研发投入，以保证客户的长远利益，保持我们在此领域的全球领先地位。