工业以太网的硬件发展

　　因为工业以太网在未来的几年中具有快速增长的势头，供应商们已经开始推出交换机和为实时控制应用定制的以太网适用控制器。
　　最近，Rockwell Automation公司在这一方面迈出了一大步。该公司近期展出的一系列管理型和非管理型工业以太网交换机，其中包括整合了思科系统公司（Cisco Systems Inc.）Catalyst交换机架构的模型。模组和嵌入式版本中的管理型交换机具有对Ethernet/IP高性能的运动应用证实有用的特征。这些特征包括IEEE-1588标准的时间同步和为提高服务质量（QoS）进行的网络通讯的优先次序排列。这些新型交换机将会允许来自Rockwell Automation集成架构内部的设置和诊断。Rockwell Automation公司计划从2008年中开始推出这些新型交换机。
　　另外一个实时应用硬件的最新发展来自于Innovasic半导体公司，该公司为实时应用开发出一种具有内置性能的32位微控制器。这些fido（fido指“灵活输入，确定输出”）微处理器的结构特点是，它们把大多实时功能置入芯片中而不是依靠RTOS（实时操作系统）软件。“我们称之为‘ 芯片中的RTOS核心’”，Innovasic公司的研发总监Dave Alsup说。建立在一套五个“硬件关联”（hardware contexts）之上的RTOS核心就像独立的真实CPU一样，可以进行诸如定时、优先控制、记忆体保护和计时控制等实时操作。
　　结果是“即使在优先度较低的通讯中”也能获得低抖动和确定性效果，Innovasic公司的首席执行官、电气工程师Keith Prettyjohns博士说。他所说的是最近在实验室中进行的实验。在这次实验中，Schneider电气公司的工程师们分别在一个fido 1100微处理器和一个基于ARM9的处理器上处理了一个高优先级的Modbus/TCP应用和背景以太网通讯。根据该项研究，fido 1100微处理器实现了最差反应时间为1.1毫秒和最差抖动值为130微妙的目标，而基于ARM9控制器的最差反应时间为1.8毫秒，最差抖动值为760微妙。尽管fido的时钟速度较慢，只有66MHz，而ARM9是133MHz；结果fido还是胜出。
　　Alsup说，fido微处理器还具有其他对控制应用证实有用的特征。一个特征是具有确定性的高速缓存存储器。它能够为一些需要快速执行的编码提供永久的存储空间，从而消除与缓存丢失相关的抖动。还有一个特征是具有以四个通用I/O控制器（UIC）为表现形式的可编程I/O性能。四个控制器中的每一个都可以进行编程用以支持大量的I/O协议。
　　图谱的一端是各种试图使标准未修改以太网和TCP/IP运用IEEE1588标准使整个网络时间同步并使其具有确定性表现的方法途径。这与Ethernet TCP/IP采用的置入“CIP Sync”方法差不多。
　　Hibbard把图谱的另一端描述为“焦土”方法。“你要把旧以太网标准打破扯烂，直到剩下一些铜片片和连接器为止，”他开玩笑说。他把只是利用了以太网物理层面的自主运动控制网络归入了这一类。
　　像SERCOS III、PROFINET IRT、EtherCAT和ETHERNET Powerlink一样的开放确定性网络标准则处于图谱的中间位置，它们利用的是以太网硬件、软件栈或两者同时利用来对确定性通讯进行优先次序排列并把它们从对时间不太敏感的网络通讯中区分出来。“它们都有相当好的确定性，”Hibbard说。“真正的问题是，它们是如何获得这样的确定性的。那才是需要讨论的地方。” 西门子公司的网络专家Jeremy Bryant也同意以上看法。“保持确定性的不同方法会带来运动控制以外不同的重要结果。”
　　这些结果包括了系统成本，因为不同种类的网络在需要实现确定性的硬件数量上有着本质区别。根据不同的网络类别，硬件的范围可以从现成的或嵌入式以太网交换机到客户定制交换机再到特定的ASIC（专用集成电路）甚至FPGA（现场可编程门阵列）。各种工业以太网的支持者们都被纠缠于哪种网络成本效率最高的激烈争论中。但从IXXAT公司Seitz的估计来看，根据实现确定性所需要的专用硬件数量和应用开发情况，各种工业以太网网络每个节点需要的成本在30美元到50美元之间。
　　XFC极速控制技术
　　德国倍福提出的基于EtherCAT的最新技术——XFC技术（eXtreme Fast Control Technology，极速控制技术）代表着一种速度极快且时间确定性极高的控制技术。它包括控制领域所涉及的所有硬件和软件组件：优化的输入输出组件，可高精度检测信号或使任务初始化；超高速EtherCAT通讯网络；高性能工业PC；整合所有系统组件的TwinCAT自动化软件。采用XFC技术，可以实现I/O响应时间≤100 ms。
　　过去，控制周期时间一般都在10-20 ms左右，但通讯接口无约束地运行，其确定性误差会影响与之相关联的过程信号响应。随着高性能工业PC控制器的实用性技术迅猛发展，周期时间可降至1-2 ms，几乎缩减了10倍。因此，很多特殊的控制回路被转移到中央设备控制器中处理，既节省了成本，同时也极大地提高了智能化算法应用的灵活性。
　　XFC则可以使响应时间（响应时间包括所有硬件的处理时间，涵盖了从物理输入触发到输出响应的整个过程）再缩减10倍，即周期时间达到100ms，而不会对中央智能化和相关的高性能算法产生任何影响。此外，还可以提高时间精度和分辨率。
　　用户完全可以从提高设备品质及缩小响应时间的全新选择中获益。例如，预防性维护测试任务，空闲时间监视或部件质量文件归档等功能都可被轻松地集成到设备控制中去，而无需再附加昂贵的专用设备。
　　如何实现确定性的另外一个重要结果与以太网处理非运动性应用的控制网络能力有关，这也是首先向工业以太网转移的主要好处之一。“实施基于以太网且有足够能力处理运动需求同时对所有其他网络需求来说又足够灵活的解决方案势在必行，”Br yant说。他所说的其他需求可能包括用于机械控制的I/O、诊断数据、用于数据采集的OPC（用于过程控制的OLE）、HMI（人机界面）连通性、安全性等。
　　为了传送所有这些数据，所有实时确定性网络都要接入同样100 Mbit/s的带宽（100BaseT）。“但是我们多少都能有效地运用那些带宽，” 设计ETHERNET Powerlink 的B&R工业自动化公司的副总裁Helmut Kirnstoetter说。这个使用效率现在仍然能激起关于最佳带宽和数据包处理的激烈争论，它能影响到一个系统可以处理节点的数量和为同一网络中其他应用所留的带宽量。
　　“最后，工程师们必须问问自己‘我需要什么样的周期时间、我有多少节点、要达到目的我需要什么样的硬件，’” Kirnstoetter说。能够准确回答这三个问题，你就有可能从各种网络中做出正确选择了。 

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