工业网络的精密时序

作者：RajeshTrivedi时间：2012-11-06来源：控制工程网收藏

　　摘要：本文探讨了工业网络中的精密时序的必要性，以及各种应用和机制所需的时间精度来确保以太网网络中的时序精确性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/138564.htm

　　工业网络连接工厂内的机器、机器人、传感器、执行器、控制器和计算机，以便于指令和数据的交换，从而同步它们的工作。网络中机器的同步操作需要每个机器都有相同的“精密时间”。每台机器上的精密时间保证了网络中事件的相对顺序。缺乏精确的时间可能会导致机器和机器人操作顺序混乱CONTROL ENGINEERING China版权所有，这反过来可能导致产品质量差、重要信息丢失、甚至发生灾难性的事故。本文探讨了工业网络中的精密时序的必要性，以及各种应用和机制所需的时间精度来确保以太网网络中的时序精确性。

　　工业网络

　　传统的工业网络使用专有的、特定供应商提供的网络技术连接工厂内的机器和计算机。专有的网络技术导致不同厂商机器之间的互操作困难，从而导致成本提高。然而，在过去的二十年，人们喜欢将应用广泛的以太网技术用于工厂内的机器互连。在20世纪80年代和90年代，办公网络的急速发展使得开放的以太网技术获得了广泛采用。以太网解决方案的规模和成熟性促成了行业标准的建立，实现了不同厂商设备之间的互操作性、提供了大量的技术人才、降低了设备成本和总拥有成本。

　　以太网网络技术提供了前所未有的的可扩展性和购买可承受能力，但是它有一个严重的缺陷。为了保持网络连接和设备的高利用率从而能降低成本，以太网技术采用基于需要的通信资源分配方式。从技术角度来看，这是被称为“异步”或“尽力而为”的通信方式。如上所述CONTROL ENGINEERING China版权所有，工业网络的一个关键的需求是将精密时间分发到所有节点。在工厂中使用以太网进行机器同步的首要挑战是建立一个机制，在不可预知的异步网络中准确地分发精密时序。这个可预测的精密时序分发机制被称为“精密时序协议(PTP)，这将在本文后面讨论。PTP由IEEE标准“IEEE1588” (在不可预知的网络中，可预测的维护精密时间的另一个术语)定义，并且目前由该标准进行维护。

　　相反，传统的工业网络中使用一个同步通信机制或一个单独的专用网络，实现所有机器的精密时间的分发。这两种机制都需要分配专用的资源来建立两个节点之间的通信，从而导致了较低的设备利用率、降低了网络的可扩展性以及更高的总成本。异步以太网网络中的精密时间分发所面临的挑战如图1所示。　　

图1：通过网络的精密时间分发

　　时钟准确性和精度

　　几乎所有的现代化机器、传感器、执行器和计算机都有本地数字时钟。然而，这些本地时钟是基于晶振的，随着时间的推移，由于环境变化(温度和湿度)和晶体老化而产生偏移。因此控制工程网版权所有，在网络中的本地时钟需要定期使用一个非常精密的主时钟或参考时钟进行同步。主时钟是一个GPS接收机或者铷或铯时钟。由于节点之间的通信速度成倍增长，需要精度更高的时钟来维持网络中事件的相对顺序。图2说明了时钟准确性和精度的概念。时钟准确性测量了与整个网络参考时钟之间的时间差。时钟精密表示测量到时间的可重复性。　　