传统以太网用于现场总线存在的问题

传统以太网技术在工业控制领域的应用虽然具有大带宽和高速传输的优点，但在用作现场总线时却面临着一系列挑战。本文将从带宽、实时性、抗干扰能力、大码流数据实时传输、时钟同步以及国产化等多个方面，详细探讨传统以太网在现场总线应用中存在的问题，并提出相应的解决方案。

一、带宽不足

传统现场总线技术（如CAN、Profibus等）由于设计上的局限性，带宽普遍较低，无法满足现代工业制造中海量数据的传输需求。随着制造业智能化的发展，总线节点数量倍增，数据量也呈指数级增长，这对传输带宽提出了更高的要求。

以太网技术虽然具有大带宽的特性，但传统的以太网通信协议在数据传输时存在较多的开销，使得实际可用的带宽受限。此外，传统以太网通信机制（如CSMA/CD）在数据传输过程中可能会引入冲突和等待时间，进一步降低了带宽利用率。

解决方案：

提升物理层带宽：采用100M/1000M标准以太网物理层通信方式，提高物理层的传输速率。

优化数据帧结构：设计特殊的数据帧结构，如NCUC实时以太网现场总线技术中的Mapping（映射）访问机制，通过一条报文完成多个从站节点内存地址的读写数据交换，提升带宽利用率。

二、实时性问题

以太网技术原本是为数据通信而设计的，其通信协议和机制在实时性方面存在较大的不确定性。传统以太网采用冲突检测载波监听多点访问（CSMA/CD）机制，在通信介质层接入时存在冲突和等待时间，导致通信延迟和不确定性。

在工业控制领域，实时性要求极高，任何通信延迟都可能导致系统控制精度的下降甚至失控。因此，传统以太网技术无法直接应用于对实时性要求极高的工控场景。

解决方案：

实时化协议修改：对传统以太网的链路层进行实时化协议修改，消除链路层数据缓存对实时性产生的影响。

飞读飞写机制：采用飞读飞写机制，即数据在发送和接收过程中不经过缓存，直接进行读写操作，更大程度保证通信的实时性。

三、抗干扰能力差

传统现场总线技术多采用铜线作为信息传输的物理介质，在面临极端环境或强电磁干扰的场景下，信号质量难以保证。铜线的抗干扰能力较弱，容易受到外界干扰而导致通信失败或数据错误。

虽然以太网技术可以采用屏蔽双绞线或光纤等物理介质来提高抗干扰能力，但传统以太网在设计和应用上并未充分考虑这一点，导致在强干扰环境下通信性能下降。

解决方案：

采用光纤通信：NCUC实时以太网现场总线技术可以根据所采用物理层PHY芯片的不同进行修改，采用光纤通信方式增强通信网络的抗干扰能力。

增强物理层设计：通过优化物理层设计，提高信号传输的稳定性和抗干扰能力。

四、大码流数据实时传输问题

随着视觉识别、点云处理以及噪声分析等新兴技术在工控上的应用，对数据传输的码率和实时性提出了更高的要求。传统以太网在传输大码流数据（如视频、音频等）时，由于带宽和实时性的限制，难以满足这些高码率数据的传输要求。

解决方案：

独特的数据通道设计：在1000M带宽的传输基础上，设计独特的FIFO数据通道，通过FIFO通道字长动态调整的方式实现视频、音频等数据流的实时传输。

优化数据传输协议：通过优化数据传输协议，减少数据在传输过程中的开销和延迟，提高数据传输的实时性和效率。

五、时钟同步问题

在采用多节点分布式本地时钟的实时以太网中，各节点的硬件晶振存在着频率和相位上的差异，导致各节点的本地时钟存在同步误差。这种同步误差将直接影响制造系统多轴协同控制的精度和稳定性。

解决方案：

分布式时钟架构：采用分布式时钟架构，利用点对点透明时钟机制对相位偏差进行测量。

物理传输延迟自动计算：设计物理传输延迟自动计算方案，通过精确计算传输延迟来修正同步误差，提高时钟同步的精度和稳定性。

六、国产化问题

目前市面上较为成熟并形成标准的百兆实时以太网技术主要还是由国外公司（如德国的EtherCAT、Siemens的Profinet、Rexroth的Sercos Ⅲ）所主导。虽然国内也推出了国产EPA实时以太网协议，并已成为国际标准，但其基于传输层和应用层调度机制保证的通信实时性难以与基于链路层实时机制的EtherCAT相媲美。

解决方案：

加强自主研发：加大在实时以太网技术领域的自主研发力度，提高国产实时以太网技术的性能和竞争力。

国际合作与交流：积极参与国际标准和技术的交流与合作，吸收和借鉴国外先进技术和经验，推动国产实时以太网技术的发展和应用。

结语

传统以太网技术在用作现场总线时面临着带宽不足、实时性差、抗干扰能力弱、大码流数据实时传输困难、时钟同步问题以及国产化不足等多重挑战。为了克服这些挑战，需要采用一系列技术手段进行改进和优化。通过提升物理层带宽、优化数据帧结构、实时化协议修改、采用光纤通信、设计独特的数据通道、优化数据传输协议、采用分布式时钟架构和物理传输延迟自动计算方案以及加强自主研发和国际合作与交流等措施，可以显著提高传统以太网技术在现场总线应用中的性能和可靠性。未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断变化，传统以太网技术在现场总线领域的应用将会更加广泛和深入。