以太网解决方案中的时间同步和实时性能

以太网提供的带宽和更广泛支持的物理层升级为已经由RS-485,RS-422和RS-232连接在现场总线如Modbus处理的数字化,网络更高的水平® RTU和DeviceNet。在这方面,从现场总线到以太网的转换比以前(并且在某些情况下正在进行)从点对点,4mA到20mA模拟连接到现场总线更可行。然而,以太网的不确定性仍然是一个绊脚石。
到了90年代,自动化行业开始通过工业以太网协议如Modbus TCP和EtherNet / IP的发展探索围绕这个中心障碍的方法®。这些解决方案包含以太网物理层以及TCP / IP堆栈,它们一起可以传输以特定应用级协议定义的标准方式组织的数据。1
例如,EtherNet / IP使用DeviceNet,ControlNet和CompoNet通过标准以太网基础设施共享的可靠通用工业协议来促进确定性,此外还允许从工厂车间一直到企业IT服务的轻松连接。2此外,它可以在多层自动化架构中的信息和控制级别上实现,正如罗克韦尔自动化白皮书所讨论的那样。3
直到最近,时间同步一直是许多IT网络的次要问题。许多其他基于以太网的自动化协议,以及对IEEE 802.1的补充 - 例如音频视频桥接 - 从使以太网适用于工业和汽车环境的多年工作中脱颖而出。尽管如此,还需要做更多的工作来为新兴的工业物联网奠定基础,并在整个自动化行业中继续使用。

回到未来:时代的老问题如何对新的IIoT至关重要

正如Broadcom的Michael Johas Teener所提出的关于确定性以太网的教程所指出的,IT网络长期以来一直被设计为携带尽可能多的信息,时间同步只是次要问题。4网络规范缺乏跟踪远程设备上事件的机制,除非使用带外解决方案 - 例如基于GPS接收器的解决方案。
迄今为止,该解决方案通常依赖于传统协议中的分组交换,例如网络时间协议(最近在新闻中用于拒绝服务攻击)。然而,这种方法有其缺点。特别是对于NTP,尽可能靠近硬件的内核/驱动程序软件事件是理想的但不能很好地控制; 只有毫秒精度是可能的。
以太网物理层上的事件是优选的 - 在这种情况下可以实现亚微秒级精度。最初提出的IEEE 1588精确时间协议在很大程度上是为了弥补NTP和简单时间协议的缺点,以及昂贵的OOB管理。以太网TCP / IP网络的优化也是PTP的重要规范。
美国国家标准与技术研究院已经注意到需要优质的定时信号来支持物联网中更多设备的互连。NIST 2015年2月的一份报告描述了传统的数据传输优先级高度同步的问题。五
“基于互联网端点大规模增长的新经济将需要以当前系统不支持的方式进行精确和可验证的时间安排,”报告摘要说。“应用程序,计算机和通信系统的开发采用了模块和层,可以优化数据处理,但会降低精确的时序。”
如果网络架构完全符合IEEE 1588标准,PTP可以实现低于100纳秒的时序。合规性需要以太网交换机,PTP从站和支持GPS的PTP超级主站。使用GPS卫星,主人可以精确地解决时间戳,并控制本地振荡器,作为网络上专用硬件的参考时钟。6
将PTP纳入工业以太网协议已经发生:
  • EtherNet / IP包括CIP Sync,它是CIP的扩展,可帮助EtherNet / IP处理运动应用中要求苛刻的事件序列7
  • PROFINET ®通过分布式和同步时钟系统,该系统是IEEE 1588兼容的方便带宽效率
其他协议如EtherCAT的®有同步自己的机制,以实现类似的结果为PTP。展望未来,PTP及其同类产品对于确保自动化和控制系统能够为任务关键型应用程序提供实时性能和精确计时至关重要。

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