反射内存网与工业以太网互为补充

更新时间:2013.07.24 浏览次数:

  在冷轧、热轧等一些工业自动化应用领域,对于压力、转速有着极为严苛的规定要求,必须在极短的时间内将数据传输至下一个节点控制工程网版权所有,进行实时精确的参数调节,微小的延时就会造成生产误差和严重浪费。目前,现场总线以太网的性能尚不能完全满足此类高度确定性、高度时间性要求的应用需求。GE智能平台针对严苛的仿真、过程控制数据采集推出的反射内存技术恰恰弥补了这种不足,以其确定性、低延迟、高速内存共享等特点符合了实时性很高的环境需求。
        低延迟性
        反射内存是种基于2.12G波特率的高速网络,最大传输速率可达174Mbyte/s。GE智能平台嵌入式系统应用工程师邵剑锋介绍,在反射内存光纤环网中,当数据写入本地反射内存备份,高速逻辑同步将其传输至环状网络的下一个节点,并可以随时在任何节点插入数据。每个节点存储从前一个节点接收的数据,数据包解包检查错误并将这个新数据写入本地备份,然后将其发送至环网的下一个节点。当数据包完成数据流环绕返回至初始节点时便会被从网络中移除。通过这种方式,每台计算机便可始终拥有共享内存集的最新本地备份,没有软件延迟,硬件延迟微乎其微。如图1所示,四个节点中所有计算机只需2.1μs便可接收到写入反射内存中的数据。这种低延迟性能对于构建实时系统(例如模拟器、PLC控制器系统、试验台或高可用性系统)起着至关重要的作用。

        作为一种特殊类型的共享内存系统,所有CPU写入该公共内存空间的访问都将被复制到网络中的其他节点上,最多可连接多达256台计算机。每个子系统均享有充分且不受限制的访问权限。
        除了环形结构,反射内存数据交互星形拓扑是一个发展方向,能使同步性更高。通过使用光纤集线器,即使节点中断已经关闭,集线器仍会自动地绕过终止操作的任何网络节点继续传输,每台联网的计算机始终具有网络共享内存集合的本地最新备份,备份节点可以通过使用与失效的系统一样的内存来无缝地接管处理工作,以减少意外停机可能对生产率、盈利能力和性能产生的严重影响。
        能否被取代?
        GE反射内存提供了通过光缆以2.12Gbaud速率运行的数据插入环形架构网络,节点间距离可达10公里(单模)/300米(多模)。邵剑锋说:“相比百兆、千兆以太网,反射内存具有更高的实时性,相邻两个节点最长延迟不超过750纳秒,而以太网、现场总线目前都无法满足此要求,千兆以太网(包括协议报头)的速率只有100 MB/s。”(见图2)由于IP协议费用、寻址和内存写入次数等限制,采用以太网等其他网络技术要达到相同的延迟也是相当困难的。

        那么,工业万兆以太网的发展是否将对反射内存网络造成冲击呢?邵剑锋认为,目前工业现场应用更多的仍是百兆、千兆工业以太网,万兆应用停留在服务器层面。万兆工业以太网在工业现场大规模应用从长远来讲是可能的,但是仍需较长时间,而GE目前也正在积极研发速度可以达到10G的光纤技术,以进一步满足实时性要求更严苛的环境应用。
        此外CONTROL ENGINEERING China版权所有,反射内存不依靠任何网络协议技术www.cechina.cn,可确保合适的连通性,不存在附加负载限制或终端规则,这也是其一大优势。“反射内存硬件可用于VME、PCI/PCI-X、PMC、PCI Express和其他各种格式,这样便允许单独的反射内存网络连接不同总线,设计和实施方案不需要考虑太多的系统兼容问题,可以组建自适应系统,方便现场系统组建和扩展。”邵剑锋说,“另外,有协议就意味着CPU开销,数据会在传输过程中有所损失,而反射内存网络能传输裸数据,极低的数据延迟,传输数据确定性有效性更高,CPU开销更小。”反射内存透明地监测、复制数据,这样便能在无软件开销的情况下共享该数据,与传统通讯方式的附加开发时间、测试、维护、文档编制和附加CPU要求所产生的成本相比,更加经济高效。
        适用范围
        既然反射内存有这么多优势,是否适用于所有的工业环境应用呢?答案是否定的。反射内存技术是GE独特的实时网络技术,可以和GE其他嵌入式平台结合组建实时系统,实现远程数据实时传输,用于所有使用以太网、光纤通道或其他串行网络将计算机或可编程逻辑控制器连接在一起的应用场合,如实时的飞行仿真器、电讯、高速过程控制(轧钢厂和制铝厂)、高速测试和测量系统等,但并非适用于所有应用场合。“反射内存与以实时交互作用为首要关注因素的系统关系最为紧密。在需要低延迟与高度通信的系统中,虽然反射内存板价格高于性能较低的硬件,但却能通过极高的功能性和易用性带来丰厚回报。”当然,邵剑锋也表示,对于一些对实时性要求并不严苛的工业环境应用,加上生产成本的考虑,可以采用传统的控制方式达到预期的生产目标。所以,“反射内存尤其适用于对数据传输高速、实时、确定性要求极高的场合。数据环网中允许多达256个节点,完全能满足工业环境和仿真环境的应用需求。”(PCI5565)
        实时精确控制生产
        反射内存凭借低延迟和确定性成为冶金、钢铁、交通等许多实时性严苛应用的最佳解决方案,比如用于提高PLC控制铝轧的操作性能,控制轧钢的快速流程。在3500英尺/分钟的轧铝机上,标准PLC控制环路的响应时间可允许在执行器响应之前能够通过2至3英尺的铝材,这些执行器在铝材上施加和释放压力以获得不同的铝材厚度。通过利用反射内存,与轧机相关的数据被输入PLC,PLC迅速将数据写入反射内存的存储器中,从而将数据发送至独立的VME计算机系统以传输复杂的控制运算法则。系统通过简单的反射内存写入命令将输出控制数据发回至PLC中,数据传输与计算速度极快,以至于PLC运行控制回路不会出现任何延迟。“如果出现延迟,会使钢的薄厚尺寸无法达到既定的要求,造成部分尺寸的成本浪费。基于VME高级控制系统的反射内存可确保实时精确控制,将响应时间缩短到4英寸控制工程网版权所有,提高产品质量。”(PCI-5565)
        邵剑锋表示:“相比PLC系统,反射内存具有更好的实时性,可以实现更快的系统响应,成本比较高,但是两者并不冲突。反射内存是对传统PLC控制的补充,可根据生产实际要求决定选用哪种。再如系统冗余,利用反射内存在几微秒内可将停止运作机器里的数据恢复到备份中,这在PLC控制中也大量使用。”(反射内存网)