工業(yè)網(wǎng)絡的精密時序

　　摘要：本文探討了工業(yè)網(wǎng)絡中的精密時序的必要性，以及各種應用和機制所需的時間精度來確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的時序精確性。

　　工業(yè)網(wǎng)絡連接工廠內(nèi)的機器、機器人、傳感器、執(zhí)行器、控制器和計算機，以便于指令和數(shù)據(jù)的交換，從而同步它們的工作。網(wǎng)絡中機器的同步操作需要每個機器都有相同的“精密時間”。每臺機器上的精密時間保證了網(wǎng)絡中事件的相對順序。缺乏精確的時間可能會導致機器和機器人操作順序混亂CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，這反過來可能導致產(chǎn)品質(zhì)量差、重要信息丟失、甚至發(fā)生災難性的事故。本文探討了工業(yè)網(wǎng)絡中的精密時序的必要性，以及各種應用和機制所需的時間精度來確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的時序精確性。

　　工業(yè)網(wǎng)絡

　　傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡使用專有的、特定供應商提供的網(wǎng)絡技術(shù)連接工廠內(nèi)的機器和計算機。專有的網(wǎng)絡技術(shù)導致不同廠商機器之間的互操作困難，從而導致成本提高。然而，在過去的二十年，人們喜歡將應用廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)用于工廠內(nèi)的機器互連。在20世紀80年代和90年代，辦公網(wǎng)絡的急速發(fā)展使得開放的以太網(wǎng)技術(shù)獲得了廣泛采用。以太網(wǎng)解決方案的規(guī)模和成熟性促成了行業(yè)標準的建立，實現(xiàn)了不同廠商設備之間的互操作性、提供了大量的技術(shù)人才、降低了設備成本和總擁有成本。

　　以太網(wǎng)網(wǎng)絡技術(shù)提供了前所未有的的可擴展性和購買可承受能力，但是它有一個嚴重的缺陷。為了保持網(wǎng)絡連接和設備的高利用率從而能降低成本，以太網(wǎng)技術(shù)采用基于需要的通信資源分配方式。從技術(shù)角度來看，這是被稱為“異步”或“盡力而為”的通信方式。如上所述CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，工業(yè)網(wǎng)絡的一個關(guān)鍵的需求是將精密時間分發(fā)到所有節(jié)點。在工廠中使用以太網(wǎng)進行機器同步的首要挑戰(zhàn)是建立一個機制，在不可預知的異步網(wǎng)絡中準確地分發(fā)精密時序。這個可預測的精密時序分發(fā)機制被稱為“精密時序協(xié)議(PTP)，這將在本文后面討論。PTP由IEEE標準“IEEE1588” (在不可預知的網(wǎng)絡中，可預測的維護精密時間的另一個術(shù)語)定義，并且目前由該標準進行維護。

　　相反，傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡中使用一個同步通信機制或一個單獨的專用網(wǎng)絡，實現(xiàn)所有機器的精密時間的分發(fā)。這兩種機制都需要分配專用的資源來建立兩個節(jié)點之間的通信，從而導致了較低的設備利用率、降低了網(wǎng)絡的可擴展性以及更高的總成本。異步以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的精密時間分發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)如圖1所示。　　

圖1：通過網(wǎng)絡的精密時間分發(fā)

　　時鐘準確性和精度

　　幾乎所有的現(xiàn)代化機器、傳感器、執(zhí)行器和計算機都有本地數(shù)字時鐘。然而，這些本地時鐘是基于晶振的，隨著時間的推移，由于環(huán)境變化(溫度和濕度)和晶體老化而產(chǎn)生偏移。因此控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，在網(wǎng)絡中的本地時鐘需要定期使用一個非常精密的主時鐘或參考時鐘進行同步。主時鐘是一個GPS接收機或者銣或銫時鐘。由于節(jié)點之間的通信速度成倍增長，需要精度更高的時鐘來維持網(wǎng)絡中事件的相對順序。圖2說明了時鐘準確性和精度的概念。時鐘準確性測量了與整個網(wǎng)絡參考時鐘之間的時間差。時鐘精密表示測量到時間的可重復性。　　

圖2：時鐘準確性和精度的定義

　　由于網(wǎng)絡中機器之間通信速度從Kbps增加到Mbps、Gbps和萬兆比特每秒，連續(xù)事件之間的時間間隙變得微不足道。過去，工業(yè)時鐘需要毫秒級的精度;但是，隨著通信速度越來越快，工業(yè)時鐘需要微秒甚至納秒級的精度(圖3)。　　

圖3：隨數(shù)據(jù)速率的增加時鐘精度要求成倍增長