基于Modbus + TCP/IP+Ethernet 的工业控制网络模型研究
日期：2006-4-30 10:18:26 来源：本文摘自《PLC&FA》
点击： 作者：未知
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以太网是最广泛使用的网络标准(IEEE802.3)，它采用介质访问控制协议(MAC)的通信标准，即(CSMA/CD)(载波监听多路访问冲突检测协议，图1是CSMA/CD通信过程。当网络上任一站点在传送数据前，先检测是否已有数据在介质上传送，若有则等待对方送完后才能送出。数据送出后，在传送的过程中不断检测是否与其他站点送出的数据发生碰撞，若发生碰撞，须等待一段时间后再重新发送。当在两个或更多的节点间检测到冲突时，发送节点就会停止传送并等待一个随机的时间后重新尝试传送。由于介质访问负载轻，以太网使用一种简单的算法操作网络，在网络负载轻时几乎没有时延。与令牌环或令牌总线协议比，以太网访问信道不需要通信带宽。标准的以太网支持10Mbps的数据传输率，也支持1Gbps。
图1 CSMA/CD的传送数据过程
3 Ethernet实时性问题研究的现状
在理论研究领域，对于以太网通信的延迟不确定性，国内外的学者提出了各种改进方法。这些方法可分为两类;硬实时改进方法和软实时改进方法。
(1) 硬实时方法
是指通过设计适当的硬件电路，限制节点访问网络的时间和速率，来减少网络碰撞和排队延迟，以满足通信的实时性。但与目前广泛使用的以太网标准相比，这种方法大大增加了节点的硬件成本，不利于大面积推广应用。
(2) 软实时改进方法
是指在不增加节点成本的同时，用软件调度策略对CSMA/CD和BEB机制进行改进，以提高通信的实时性。这种方法又可分为冲突避免和冲突解决两种。
·时分多路获取策略(TDMA)
在冲突避免方面，最直接的方法是采用时分多路获取策略(TDMA)，事先给每个节点预先分配一定的带宽，节点只有在分配给它的固定时间内才能向网络上发送信息，从而保证每个节点的确定发送时间。
·可预测CSMA-PCSMA
由于TDMA不能反映每个节点的实际带宽需求，又产生了可预测CSMA-PCSMA,在假定所有实时信息都是周期性的情况下，对信息的时态特征进行静态调度。上述方法都是以改变以太网结构为代价。
由于以太网的介质访问控制协议采用的是CSMA/CD技术，这就会导致以太网在重负载的情况下，某些节点的数据可能会延迟很长时间才能发出去或根本无法传送，从而造成数据丢失。本文提出了以Modbus协议为应用层协议，与TCP/IP，Ethernet，的控制网络通信模型。
1 引言WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
在现代化工业控制中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制本质上需要一种分布式实时控制系统来实现任务的传送和控制。在分布式实时控制系统中，不同的计算机设备之间的交互式通过现场通行网络来进行信息传递的。典型的通信网络是现场总线，它是应用在工业现场，在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通信系统，又称为开放式、数字化、多点通讯的现场控制网络,例如，FF, Profibus, WordFIP, P-NET, CAN和Lonwork等。尽管现场总现通信网络获得了成功的推广，然而现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和应用有限等缺陷，以及总线通信的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互操作等。其中，通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。现今，如何把Ethernet应用到工业已成为工业控制和实时通信研究的热点。
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2 Ethernet的通信过程与特点WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
以太网，英文名为Ethernet，是当今世界上应用范围最广的一种网络技术。它最早起源于美国夏威夷大学。60年代末，该校的Norman Abramson及其同事为了将校内的IBM 360主机与分布在其它岛上的终端相连接而开发了一个无线电系统ALOHA。该系统是一个争用型网络，其上已经体现了以太网的设计思想，即信道共享和信道争用。
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以太网是最广泛使用的网络标准(IEEE802.3)，它采用介质访问控制协议(MAC)的通信标准，即(CSMA/CD)(载波监听多路访问冲突检测协议，图1是CSMA/CD通信过程。当网络上任一站点在传送数据前，先检测是否已有数据在介质上传送，若有则等待对方送完后才能送出。数据送出后，在传送的过程中不断检测是否与其他站点送出的数据发生碰撞，若发生碰撞，须等待一段时间后再重新发送。当在两个或更多的节点间检测到冲突时，发送节点就会停止传送并等待一个随机的时间后重新尝试传送。由于介质访问负载轻，以太网使用一种简单的算法操作网络，在网络负载轻时几乎没有时延。与令牌环或令牌总线协议比，以太网访问信道不需要通信带宽。标准的以太网支持10Mbps的数据传输率，也支持1Gbps。
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图1 CSMA/CD的传送数据过程
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3 Ethernet实时性问题研究的现状
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在理论研究领域，对于以太网通信的延迟不确定性，国内外的学者提出了各种改进方法。这些方法可分为两类;硬实时改进方法和软实时改进方法。
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(1) 硬实时方法
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是指通过设计适当的硬件电路，限制节点访问网络的时间和速率，来减少网络碰撞和排队延迟，以满足通信的实时性。但与目前广泛使用的以太网标准相比，这种方法大大增加了节点的硬件成本，不利于大面积推广应用。
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(2) 软实时改进方法
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是指在不增加节点成本的同时，用软件调度策略对CSMA/CD和BEB机制进行改进，以提高通信的实时性。这种方法又可分为冲突避免和冲突解决两种。
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·时分多路获取策略(TDMA)
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在冲突避免方面，最直接的方法是采用时分多路获取策略(TDMA)，事先给每个节点预先分配一定的带宽，节点只有在分配给它的固定时间内才能向网络上发送信息，从而保证每个节点的确定发送时间。
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·可预测CSMA-PCSMA
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由于TDMA不能反映每个节点的实际带宽需求，又产生了可预测CSMA-PCSMA,在假定所有实时信息都是周期性的情况下，对信息的时态特征进行静态调度。上述方法都是以改变以太网结构为代价。
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由于以太网的介质访问控制协议采用的是CSMA/CD技术，这就会导致以太网在重负载的情况下，某些节点的数据可能会延迟很长时间才能发出去或根本无法传送，从而造成数据丢失。本文提出了以Modbus协议为应用层协议，与TCP/IP，Ethernet，的控制网络通信模型。
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