工业以太网与实时以太网：应用技术解析

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：实时以太网就是考虑到现场总线的实时性，与以太网通信技术结合，建立了适合工业自动化并有实时能力的以太网总线。因此，工业以太网主要是通过采用交换式以太网、全双工通信、流量控制及虚拟局域网等技术，减轻以太网负荷，提高网络的实时响应时间，与商用以太网兼容的控制网络。这3个规范均是建立在IEEE 802.x的以太网规范上的。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。

现代自动控制的发展与现代通信技术的发展紧密相关，无论是现场总线还是工业以太网，都对工业控制系统的分散化、数字化、智能化和一体化起了决定性的作用。将现代通信技术应用到工业自动化控制领域成为必然趋势。实时以太网就是考虑到现场总线的实时性，与以太网通信技术结合，建立了适合工业自动化并有实时能力的以太网总线。

实时的含义是指对一个给定的应用保证在一个确定的时间内，控制系统能对信号做出响应。而以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制，具有通信不确定性的特点。将高速以太网技术应用到实时工业控制网络中，用以提高网络传输速度，其中的关键问题在于提高以太网的实时性与可靠性。

对于工业自动化系统来说，目前根据不同的应用场合，将实时性要求划分为3个范围，它们是信息集成和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是100ms或更长；绝大多数的工厂自动化应用场合，实时响应时间要求为5～10ms；对于高性能的同步运动控制应用，特别是在100个节点下的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求低于1ms，同步传送和抖动时间小于1μs。工业控制网络的实时性还规定了许多技术指标，如交付时间、吞吐量、时间同步、时间同步精度冗余恢复时间等，并且对于这些性能指标都有详细的规定。

通常，人们习惯上将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网，但是按照国际电工委员会SC65C的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符合IEEE 802.3标准，按照IEEE 802.1D——介质访问控制网桥协议和IEEE 802.1Q——虚拟桥接局域网协议，对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网。因此，工业以太网主要是通过采用交换式以太网、全双工通信、流量控制及虚拟局域网等技术，减轻以太网负荷，提高网络的实时响应时间，与商用以太网兼容的控制网络。(www.chuimin.cn)

实际上，制定IEC 61158国际标准的时候，除了经典的现场总线之外，工业以太网通信技术也越来越多地用于工业数据通信系统中。因此，2003年初的IEC 61158第3版文本中也写入了相关的工业以太网技术，如Ethernet/IP、FF-HSE（Fieldbus Foundation High Speed Ethernet）、PROFINET等协议规范。这3个规范均是建立在IEEE 802.x的以太网规范上的。

对于响应时间小于5ms的应用，通常意义上的工业以太网已不能胜任。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案都是建立在IEEE 802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网（Real-Time Ethernet，RTE）。实际上实时以太网也是工业以太网的一种。

工业以太网与实时以太网：应用技术解析

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