進(jìn)入以太網(wǎng), 退出現(xiàn)場總線嗎?
| 正當(dāng)現(xiàn)場總線處于穩(wěn)定時期時， 以太網(wǎng)進(jìn)入了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。有 人認(rèn)為它是一種 威脅， 有人卻認(rèn)為它不夠工業(yè)化而不必重視它。Rob Hulsebos先生在本文中就以太網(wǎng)與現(xiàn) 場總線協(xié)議棧的融合以及現(xiàn)場總線系統(tǒng)是否值得對此擔(dān)憂等方面進(jìn)行了探討。 人們通常認(rèn)為以太網(wǎng)和TCP/IP是一對孿生子，這種說法是錯誤的。以太網(wǎng)和TCP/IP是各自獨(dú) 立發(fā)展起來的，而且可各自獨(dú)立存在。簡而言之，TCP/IP是一種通信協(xié)議，以太網(wǎng)是電纜。 T CP的任務(wù)是按照其原先發(fā)送的順序可靠地傳送數(shù)據(jù)，過濾掉重復(fù)的，在可靠的數(shù)據(jù)傳輸不再 可能實現(xiàn)的情況下重新發(fā)送已丟失的數(shù)據(jù)并指示出錯；IP的任務(wù)僅限于和硬件接口、處理硬 件的特性（如單個報文中的******數(shù)據(jù)量）。 盡管TCP對可靠的數(shù)據(jù)傳輸幫助很大，但它是強(qiáng)制進(jìn)入應(yīng)用程序的一種特殊方式。TCP在一種 “管道”內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在（管道）另一端自動地出現(xiàn)原先推入的數(shù)據(jù)。TCP盡量優(yōu)化這 種管道的使用。它將一組字節(jié)分成幾個更小的組，然后分別發(fā)送每個子組。它也可將兩個或 更多的子組合并從而將它們組裝成為一個更大的組。它可以等待直至有足夠的數(shù)據(jù)有效地發(fā) 送。重試可以處理出錯，這種重試可重復(fù)幾分鐘。 似乎無終止的一段時間 TCP/IP在下載一個巨大文件時很好，但在工業(yè)應(yīng)用中1min似乎是一段無終止的時間。因此 需要一種不同的工作方式。在目的站， 一個報文中的數(shù) 圖1 以太網(wǎng)、TCP/IP和PROFIBUS 通信棧的融合 據(jù)應(yīng)作為一個整體來處理，也作為一 個 整體來傳送。兩個報文決不能結(jié)合在一起。每個報文必須立即發(fā)送，而且必須盡快報告出錯 ，不能在3min的重試之后才報告。 這就需要一個額外的軟件層，該軟件層緩存輸入數(shù)據(jù)直至讀出整個報文，而且只有這時才能 將它發(fā)送給應(yīng)用。準(zhǔn)備好發(fā)送的報文必須推入（管道）以避免內(nèi)部延遲。 對于上述方面，沒有單一的標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP應(yīng)用如Telnet、FTP、email和WWW各有標(biāo)準(zhǔn)，但它 們各自有自己的方式。使用互相發(fā)送電子郵件或網(wǎng)頁的設(shè)備來建立分散系統(tǒng)幾乎是不可能 的。因此需要一種協(xié)議，它允許使用TCP/IP而不必?fù)?dān)心其細(xì)節(jié)?，F(xiàn)已有這樣的協(xié)議：現(xiàn)場總 線協(xié)議！兩種可能的實現(xiàn)有：在TCP/IP的頂層運(yùn)行現(xiàn)場總線，或在現(xiàn)場總線的頂層運(yùn)行TCP/ IP。 以太網(wǎng)適用于何處？ 現(xiàn)場總線有幾個功能層：線路拓?fù)?、允許有效利用總線的存取協(xié)議、檢查出錯并修改其出錯 的傳輸協(xié)議、應(yīng)用協(xié)議以及描述如何使用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用行規(guī)。 一個系統(tǒng)比這些部分的總和還多。圖1表示了由以太網(wǎng)構(gòu)成的部分、以太網(wǎng)與TCP/IP組合的 部分以及一項應(yīng)用如WWW。需注意的是：以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合能滿足兩個控制器之間的通信 。 將以太網(wǎng)、TCP/IP和具有PROFIBUS的web協(xié)議棧組合在一起，兩種不同的解決方案就融合起 來，其中一個在另一個的上方。這就是PROFIBUS用戶組織采用的PROFINet路徑。其它現(xiàn)場總 線系統(tǒng)也有類似的設(shè)想。 TCP/IP上的現(xiàn)場總線 在以太網(wǎng)上層運(yùn)行現(xiàn)場總線意味著該棧的上層保持不變?，F(xiàn)有的應(yīng)用無需修改就可虛擬地運(yùn) 行，這就易于轉(zhuǎn)換。 另一種解決方案是在現(xiàn)場總線上層運(yùn)行TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，PROFIBUS也支 持這種方案。它允許所有的Internet應(yīng)用（Telnet, FTP, email, http）在現(xiàn)場總線設(shè)備上 運(yùn)行而無需修改，但需要一些說明。Interbus必須將TCP/IP報文分成8字節(jié)的字節(jié)片，然后 再組合它們。由于每個I/O循環(huán)只能發(fā)送一個字節(jié)片（假定8字節(jié)/ 2ms），因此性能必然地 受到限制。PROFIBUS這方面的數(shù)值尚不清楚。但這種方案對于帶有圖形的網(wǎng)頁來說并不理想 。 以太網(wǎng)的反對者們重復(fù)地引證網(wǎng)絡(luò)報文的額外開銷。以太網(wǎng)的最小報文長度64個字節(jié)（512 位）和64位前同步，這對于只有16個數(shù)據(jù)位的I/O模塊來說太不相稱了。在這64個字節(jié)中，1 8個字節(jié)用于以太網(wǎng)本身（報文首部），TCP/IP首部占用40個字節(jié)，因此還剩6個字節(jié)用于用 戶數(shù)據(jù)。 如果我們要建立一個有6個節(jié)點(diǎn)的I/O網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)是16位I/O，網(wǎng)絡(luò)通過量總計為：6×2 ×（512+64）=6912位，或傳輸速率是10Mbps時一個循環(huán)時間為0.69ms。假如我們想用CAN， 它的額外開銷僅為47位而且沒有最小報文長度。同樣的I/O系統(tǒng)將需要：6×2×（47+16）=7 56位，它是以太網(wǎng)效率的九倍。但是，由于CAN只允許網(wǎng)絡(luò)傳輸速率1Mbps而且不 超過25米，所需的循環(huán)時間是0.76ms，所以實際上比以太網(wǎng)慢10％。 當(dāng)然，上述兩個例子假定100％的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，這對遠(yuǎn)程I/O是不現(xiàn)實的。軟件延遲在很大程度 上可影響網(wǎng)絡(luò)的性能。在Modbus/TCP網(wǎng)站，我看到一個例子，一套有6個16位I/O模塊的系統(tǒng) ，它的循環(huán)時間是1.9ms。由于網(wǎng)絡(luò)報文需要0.69ms，剩余的1.21ms純用于軟件延遲。當(dāng)以 太網(wǎng)的速度要更新到100Mbps時，知道該延遲很重要。所有軟件延遲是恒定的，因此I/O系統(tǒng) 的循環(huán)時間減少為0.69/10+1.21=1.28ms。該網(wǎng)絡(luò)提速達(dá)1000％，而循環(huán)時間僅加快48％— —絕對不是所期望的結(jié)果。 并非一切都可采用TCP/IP 并非每種現(xiàn)場總線可容易地轉(zhuǎn)化為使用TCP/IP。AS-Interface 和CAN就是兩例。二者對于I/ O而言是******的，它反映在一個網(wǎng)絡(luò)報文中能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量—— AS-I是4位，而CAN最多是 8個字節(jié)。AS-I總線可帶電源。用以太網(wǎng)—— TCP/IP就小題大做了! |
