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TSN與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的真相

點(diǎn)擊次數(shù):1291次 更新時間:2018-04-09

 TSN與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的真相

我們近期收到來自ETG會員的反饋,在網(wǎng)絡(luò)上流傳的某些比較各種工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的文章中,針對EtherCAT部分的描述有誤,會員希望ETG對相應(yīng)錯誤部分給予糾正,防止讀者被誤導(dǎo)。此外,針對該文章中指出的TSN技術(shù)適用于現(xiàn)場層的應(yīng)用的觀點(diǎn),我們借此機(jī)會給予我們的解讀。

以某一家現(xiàn)場總線組織為名的關(guān)于多家工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的對比只是站在某一種總線角度進(jìn)行技術(shù)比較,對于廣大用戶來說并不具有代表性和性,且因其對EtherCAT技術(shù)了解的片面性,文章中在技術(shù)層面出現(xiàn)很多錯誤,為工業(yè)以太網(wǎng)用戶帶來諸多困擾。

我們在此列舉了以下技術(shù)錯誤并進(jìn)行了相應(yīng)的糾正,以幫助用戶正確理解工業(yè)以太網(wǎng)以及EtherCAT技術(shù)。

image001錯誤1:1.2章節(jié)關(guān)于主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較

按照圖示中關(guān)于EtherCAT的參數(shù):70多個節(jié)點(diǎn),100個字節(jié)的數(shù)據(jù)量,循環(huán)周期要超過1700微秒。

image004實(shí)際應(yīng)用中采用硬件測試過的EtherCAT性能如下:

•    1000個開關(guān)量分布在100個節(jié)點(diǎn)上,循環(huán)周期為30微秒

•    100個伺服軸,每個軸8字節(jié)的輸入/輸出數(shù)據(jù),循環(huán)周期為100微秒

EtherCAT與其他千兆以太網(wǎng)及TSN性能比較

上圖中所示,與其他的基于千兆以太網(wǎng)的總線技術(shù)與TSN比較,EtherCAT的真實(shí)性能應(yīng)該如圖中zui底層的平面(藍(lán)色平面)所示。顯然,EtherCAT的性能明顯優(yōu)于其他的技術(shù)。

image001錯誤2:1.2章節(jié)關(guān)于EtherCAT循環(huán)周期時間的計算公式錯誤:


image004對于通常的EtherCAT系統(tǒng)中含有的三類設(shè)備:輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輸入輸出混合設(shè)備。對于含有以上三類設(shè)備的EtherCAT系統(tǒng)的zui小循環(huán)周期公式應(yīng)為:

τ= 8(40 + max(44, 4 ×(x+12)))/C

說明: EtherCAT協(xié)議定義數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),可以將數(shù)據(jù)報文分成多個子報文,每個子報文可以對應(yīng)一個到多個從站。一般情況下子報文都是對應(yīng)同類的一系列設(shè)備,例如所有輸入模塊對應(yīng)一個子報文,所有輸出模塊對應(yīng)一個子報文,所有輸入輸出的模塊對應(yīng)一個子報文。這樣如果系統(tǒng)中以上三類設(shè)備,外加一個用于監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)機(jī)的廣博子報文后,公式應(yīng)該是4×(x+12)。文中提到的是將每一個從站都對應(yīng)一個子報文,這不是必須的,絕大多數(shù)情況都不會使用到這種極限方式。

image001錯誤3:在公式說明后提到如下內(nèi)容:

“這里介紹的所有方程都是假設(shè)了簡單的情況,其中輸入和輸出數(shù)據(jù)量相等,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為的總線型。然而在實(shí)際應(yīng)用中,這種比較取決于許多其他參數(shù):

•    輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率

•    具有直接交叉通信的設(shè)備的百分比

•    利用不同的循環(huán)周期

•    拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(總線型、星型、環(huán)型),以及設(shè)備之間的跳數(shù)

•    帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性”

image004EtherCAT的性能有很好的確定性,對于確定了節(jié)點(diǎn)數(shù)和負(fù)載的應(yīng)用,就有確定的EtherCAT系統(tǒng)性能,而無需考慮其他不必要的因素。

•    EtheCAT與輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率無關(guān)。EtherCAT系統(tǒng)性能與傳輸時間和總數(shù)據(jù)量有關(guān),而不是數(shù)據(jù)量中輸入輸出數(shù)據(jù)的比率。

•    EtheCAT性能與直接交叉通信的設(shè)備的百分比無關(guān)。EtherCAT從站物理層選擇交叉索引自適應(yīng)的PHY,所以和“直接交叉通信的設(shè)備的百分比”無關(guān),并且系統(tǒng)中無需全雙工的交換機(jī)及半雙工的HUB設(shè)備。

•    EtherCAT性能受不同的循環(huán)周期的影響,但這種方式是指主站可以優(yōu)化報文,不同類型的設(shè)備根據(jù)不同的任務(wù)周期發(fā)送數(shù)據(jù),從而釋放主站的性能。

•    EtherCAT支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(總線型、星型、環(huán)型、樹型、線型),且性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無關(guān)。而且不涉及設(shè)備之間的跳數(shù)的問題,不存在這方面影響。

•    EtherCAT是一網(wǎng)到底,沒有背板總線,因此不存在背板總線的影響。

image004有關(guān)TSN和EtherCAT:

TSN的用武之地在于異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性數(shù)據(jù)交換,而在現(xiàn)場總線層的應(yīng)用中,TSN不會替代EtherCAT。

TSN是Time Sensitive Networking(時間敏感性網(wǎng)絡(luò))的縮寫,是一個IEEE橋接(“交換技術(shù)”)的工作組的項(xiàng)目。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的基于“Best effort”方式對普通以太網(wǎng)的應(yīng)用不能夠滿足廣泛的實(shí)時性需求(例如在音頻/視頻和廣泛的IT通信與EtherCAT系統(tǒng)通訊),所以該工作組旨在通過確定性的研究提升以太網(wǎng)的實(shí)時性。它有如下特點(diǎn):

-  在IEEE802.1規(guī)范中,數(shù)據(jù)幀被盡可能快的轉(zhuǎn)發(fā),避免阻塞。

-  一部分帶寬被預(yù)留為“Stream”(數(shù)據(jù)高速通道),用于傳輸對時間要求更高的通訊。

-  剩余的帶寬用于普通的數(shù)據(jù)傳輸(“延遲通道”)。


從上圖中可見,實(shí)時性是通過在TSN中建立數(shù)據(jù)高速通道實(shí)現(xiàn)的。那么,對于現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)通訊,通常是節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多,響應(yīng)要求快,周期性循環(huán)的通訊,如果直接通過TSN連接帶有n個節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng),就要求建立n個數(shù)據(jù)高速通道。這顯然會影響其他類型的數(shù)據(jù)通訊,并且在網(wǎng)絡(luò)配置方面也是不切實(shí)際的。

TSN真正的用意在于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的搭建。在未來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或者泛工業(yè)的應(yīng)用中,同一個網(wǎng)絡(luò)需要集成不同類型的設(shè)備、不同類型的通訊,這些通訊設(shè)備之間需要進(jìn)行實(shí)時性交互時,正是TSN的用武之地。TSN通過對TSN交換機(jī)的配置鏈接不同的設(shè)備或者網(wǎng)段,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時交互。這種實(shí)時性通過TSN配置給每個網(wǎng)段或者設(shè)備的“數(shù)據(jù)高速通道”實(shí)現(xiàn)。因此,TSN嵌入在IEEE 802技術(shù)中有助于協(xié)調(diào)通信,它會消除一些不必要的沖突,但不會改變基本規(guī)則。TSN的兩個主要性能缺陷是無法改變的,即針對小數(shù)據(jù)量的以太網(wǎng)幀處理效率以及復(fù)雜且耗時的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程。

在對于機(jī)器的控制中,EtherCAT在典型的IO網(wǎng)段的性能比TSN高出近十倍。EtherCAT作為當(dāng)今zui快速的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線可以和TSN技術(shù)結(jié)合。


如上圖所示,在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中涉及到機(jī)器控制(多節(jié)點(diǎn)、高速響應(yīng)、硬實(shí)時性要求)采用EtherCAT網(wǎng)段,每一個EtherCAT網(wǎng)段(含有多個EtherCAT節(jié)點(diǎn)設(shè)備)通過TSN交換機(jī)建立的一個高速數(shù)據(jù)通道與主站相連。

這種用法非常,基于共享幀方式的EtherCAT由于網(wǎng)絡(luò)中多個從站設(shè)備的數(shù)據(jù)可以在同一個數(shù)據(jù)幀中傳輸,EtherCAT連到TSN網(wǎng)絡(luò)中后,使得TSN配置更加容易并。整個EtherCAT網(wǎng)段僅利用了TSN的一個“高速通道”,并保證了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中EtherCAT網(wǎng)段中所有設(shè)備與其他類型設(shè)備及EtherCAT主站的實(shí)時通訊。

此外,關(guān)于TSN規(guī)范制定工作還在進(jìn)程當(dāng)中,如下圖,其中一些規(guī)范還處于草稿或者投票等階段,只有一部分規(guī)范對外發(fā)布。值得注意的是,現(xiàn)階段對于TSN網(wǎng)絡(luò)的配置工具目前還沒有發(fā)布,有效的TSN網(wǎng)絡(luò)還不能組態(tài)。


為了保證EtherCAT技術(shù)與TSN的適用性,EtherCAT技術(shù)協(xié)會已經(jīng)在2017年底發(fā)布了EtherCAT關(guān)于TSN的設(shè)備行規(guī)。該行規(guī)規(guī)范用于EtherCAT和TSN的使用,文檔中對已發(fā)布的TSN規(guī)范和EtherCAT技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了定義,此文檔可以在ETG*下載,隨著TSN規(guī)范的完善,此文檔也會相應(yīng)的更新版本,當(dāng)前版本是ETG.1700 S (D) V0.9.0。

TSN的真正優(yōu)勢在于增強(qiáng)了包括很多機(jī)器在內(nèi)的本地網(wǎng)絡(luò)的性能。它未來的發(fā)展必然會降低當(dāng)前機(jī)器到機(jī)器網(wǎng)絡(luò)器件的復(fù)雜性。這將需要一個通用的協(xié)議基礎(chǔ)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),并且兩者都需要可以在機(jī)器層進(jìn)行有效處理的器件。

在未來的自動化系統(tǒng)中,如何組織通信將比通信特性本身更重要。這就是為什么EtherCAT保留了現(xiàn)有元器件并提供了單獨(dú)對TSN功能的適配。因此,我們可以支持更強(qiáng)大的功能,并保護(hù)您對EtherCAT的資產(chǎn)投入。

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