現場總線比較
　　多數被視為確定性的分布式輸入/輸出（DIO）現場總線係統均為邏輯環/物理總線令牌傳遞型網絡，如Profibus、Modbus Plus等。以Modbus Plus DIO為例
，假設PLC請求或I/O設備響應傳輸時間固定，則可以計算出傳輸消息請求或響應所需的時間。而在Profibus等deng其qi他ta確que定ding性xing網wang絡luo中zhong，隨sui著zhe網wang絡luo長chang度du超chao出chu特te定ding的de網wang絡luo長chang度du邊bian界jie，傳chuan輸shu時shi間jian將jiang由you於yu傳chuan輸shu速su度du的de降jiang低di而er延yan長chang。在zai這zhe些xie例li子zi中zhong
，現xian場chang總zong線xian本ben身shen仍reng然ran被bei視shi為wei確que定ding性xing
，因yin為wei任ren意yi兩liang個ge給gei定ding節jie點dian之zhi間jian的de網wang絡luo傳chuan輸shu消xiao息xi交jiao付fu時shi間jian是shi可ke以yi計ji算suan和he穩wen定ding的de。
　　以太網最初是一種總線連接型網絡，它由於隨機、不確定性而被棄用，被視為不適用於許多工業應用場合。因為CSMA/CD以太網可能由於MAC層衝突後退算法重發定時器而導致消息傳輸時間變化
，且存在過多的衝突導致消息在MAC層被放棄的可能性，以太網要依賴於更高層的協議（如TCP）或應用程序來重發消息。這一點曾經是以太網與現有作為基準的確定性現場總線競爭的一大劣勢。
　　而以太網已經有了很大的發展，網絡訪問和總線爭用等障礙已經被排除。由於1995年Kalpana引入的以太網交換技術，以及IEEE 802.3xquanshuanggongbiaozhun，chongtuhezongxianzhengyongyijingyoulejiejuebanfa。yitaiwangshangrenheyiquanshuanggongfangshiyunxingdeshebeidoukeyizairenheshihoutongshijinxingfasonghejieshou，ermeiyouchongtudefengxian。zaiquanshuanggongyunxingzhong
，yitaiwangCSMA/CD衝突不需要，因而被禁用了。
　　將以太網與現場總線在數據量
、設備數量和網絡距離等方麵進行比較，以太網具備若幹優勢。在設備數量方麵，以太網通過采用IP子網掩碼
，對終端設備數量沒有實質性限製。例如，采用24個主位和8位子網掩碼的A類網絡可以提供超過1670萬(wan)個(ge)節(jie)點(dian)地(di)址(zhi)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)認(ren)為(wei)這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)實(shi)際(ji)上(shang)不(bu)會(hui)達(da)到(dao)的(de)子(zi)網(wang)規(gui)模(mo)。在(zai)點(dian)對(dui)點(dian)消(xiao)息(xi)分(fen)發(fa)方(fang)麵(mian)，每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)都(dou)能(neng)夠(gou)與(yu)其(qi)他(ta)任(ren)何(he)節(jie)點(dian)直(zhi)接(jie)通(tong)信(xin)。由(you)此(ci)，詢(xun)問(wen)或(huo)響(xiang)應(ying)消(xiao)息(xi)的(de)傳(chuan)輸(shu)不(bu)會(hui)受(shou)到(dao)網(wang)絡(luo)上(shang)設(she)備(bei)數(shu)量(liang)的(de)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)，因(yin)為(wei)在(zai)交(jiao)換(huan)式(shi)以(yi)太(tai)網(wang)中(zhong)沒(mei)有(you)令(ling)牌(pai)傳(chuan)遞(di)拓(tuo)撲(pu)中(zhong)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)順(shun)序(xu)消(xiao)息(xi)分(fen)發(fa)。采(cai)用(yong)令(ling)牌(pai)傳(chuan)遞(di)的(de)邏(luo)輯(ji)環(huan)式(shi)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)必(bi)須(xu)將(jiang)令(ling)牌(pai)順(shun)序(xu)發(fa)至(zhi)每(mei)個(ge)設(she)備(bei)
，因(yin)此(ci)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)會(hui)隨(sui)設(she)備(bei)數(shu)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)。
　　zaishangmiandejiandanbijiaozhong

，yitaiwangbixianyoudexianchangzongxianjuyouhendadeyoushi，danrengranyoukenengyingxiangyitaiwangchuanshuquedingxingdeyinsu。xiamianwomenjiangfenxizhexieyingxiang，bingyanjiukeyiyonglaizaijingguoshidangzuhedegongyeyitaiwangwangluozhongdixiaozhexieyingxiangdefangfa。
　　在專用的現場總線/令ling牌pai傳chuan遞di係xi統tong中zhong，網wang絡luo流liu量liang通tong常chang局ju限xian在zai特te定ding的de消xiao息xi類lei型xing和he網wang絡luo設she備bei間jian的de順shun序xu流liu動dong中zhong。而er在zai以yi太tai網wang係xi統tong中zhong
，某mou些xie可ke以yi靈ling活huo實shi現xian自zi由you形xing式shi點dian對dui點dian通tong信xin的de消xiao息xi可ke能neng需xu要yao進jin行xing廣guang播bo，以yi確que定ding構gou成cheng完wan整zheng消xiao息xi請qing求qiu的de所suo需xu資zi源yuan的de位wei置zhi。地di址zhi解jie析xi協xie議yi（ARP）是用於將以太網硬件MAC地址與邏輯軟件棧IP 地址綁定的輔助協議。ARP請求在設計中是要向IP子網或VLAN廣播域上的所有設備廣播的。但ARP請求及其他協議廣播消息在過多時可能具備破壞性。處理廣播請求是IP以太網的一項基本功能，即使ARP請求是針對另一終端設備時也是如此。其他許多通用協議（如NetBIOS或IPX）也會提供廣播服務
，它們有時也會產生與子網上其他所有NetBIOS主機反向的廣播，在Microsoft Windows NetBIOS域或工作組主機瀏覽器選舉發起時就是這種情況。還有一種情況是，一台配置在另一網絡的主機試圖定位其基本資源，錯誤配置的主站PC可能突然發出每秒達到10個或更多的廣播


，嚐試在不可用的網絡域控製器

、服務器份額及其他資源上登錄或注冊，由此可能對某些設備具有破壞性。
　　如果ARP或其他廣播過多，這些廣播就可能具備破壞性
，它們會使子網上所有終端設備的緩衝區擁塞， 延遲甚至阻礙對重要的單播或多播自動化應用消息以及BootP或DHCP等合法UDP廣播請求的正常處理。
　　yitaiwangjiaohuanjiyijingfazhandaokeyicaiyongguangbolvxianzhigongnenglaikongzhiguoduodeguangboliuliang，gaigongnengjiangduipeizhishuipingyishangdeguoduodeguangboliuliangjinxingqianzhi。xuanyongzhichiguangbolvxianzhideyouguanligongyeyitaiwangjiaohuanjikeyirangjiaohuanjilaibaohuzhongduanshebeimianshouguoduoguangbodeyingxiang，bingquebaorenheguangbofengbaodepohuaixingjiangzhizuidi，shizhibukenengyingxianggongyeyingyong。youyizhongpeizhiyuanzeshi：允許子網上每個設備的交換機端口上每秒有2次一般廣播，再加上每個目標設備每秒2次廣播的
，以此作為保守數字。得出這兩個數字的原則是：對2個應用服務中（如ARP和DHCP服務）的每一個
，各允許1次廣播，而IP標準廣播間隔為每秒1次。
　　例如，如果在一個有60個主機的子網上
，某個設備在與另外5個設備通信
，則廣播率限製將是每秒130次廣播。
　　（子網設備數 × 2）+（目標設備數× 2）= 比率限製
　　考kao慮lv斷duan電dian後hou恢hui複fu供gong電dian的de情qing況kuang，所suo有you設she備bei可ke能neng會hui幾ji乎hu同tong時shi啟qi動dong，它ta們men不bu僅jin會hui進jin行xing重zhong複fu地di址zhi檢jian查zha，還hai會hui試shi圖tu獲huo取qu地di址zhi和he配pei置zhi信xin息xi，並bing嚐chang試shi查zha找zhao其qi指zhi定ding對dui應ying端duan。客ke戶hu端duan的de廣guang播bo通tong常chang情qing況kuang下xia限xian製zhi在zai以yi1 s為間隔，而某些設備可能在這1 s的界限內在IEEE 802.3與Ethernet II之間交換幀類型。所有客戶端也會使用ARP來查找其對應端的MAC 地址，以收集發起TCP連接所需的MAC地址信息。廣播率限製配置的值必須足夠公平
，以使所有設備可以接收來自子網上所有正在連接的設備所發送的廣播。
　　通過以全雙工模式運行
，並減輕過多廣播或多播造成的破壞
，以太網可以實現確定的性能。采用現代終端設備
，以太網通常可以100 Mbs的速率進行傳輸。自動化應用協議中的數據包大小通常在500字節以內，發送這樣的500字節數據包所需的傳輸時間為0.00004 s或40 ms。此外還有其他一些因素，如正常傳播速度（NVP）
，它是計算某個比特沿給定長度的介質的傳播時間所必需的。NVP以光速百分比的形式度量。多數5e類電纜的NVP在0.65-0.70之間，即它們將以最高為光速70%的速度傳輸比特。針對所有實際應用
，100 m電纜段上的NVP為477 ns。如此小的時間值可以被忽略。
　　如前所述
，可實現確定性性能的傳統現場總線也有一些變量，但不會影響總的傳輸時間。例如在Modbus Plus上，設備的數量會影響令牌輪轉時間。在Profibus上，網絡的總長度將影響傳輸速度。但在二者任何一種網絡中，一旦網絡建立並穩定，傳輸時間就將是穩定的。
　　盡管有許多控製廣播
、多duo播bo和he擁yong塞sai的de辦ban法fa，多duo數shu工gong業ye以yi太tai網wang實shi際ji上shang基ji本ben沒mei有you出chu現xian這zhe些xie問wen題ti的de可ke能neng性xing，因yin為wei自zi動dong化hua應ying用yong中zhong數shu據ju包bao都dou較jiao小xiao。較jiao小xiao的de數shu據ju包bao所suo需xu傳chuan輸shu時shi間jian短duan，插cha幀zhen也ye更geng容rong易yi。在zai我wo們men的de測ce試shi中zhong，我wo們men發fa送song了le78個作為樣本的Modbus TCP/IP請求數據包
，包括以太網MAC開銷（包間時隙、報頭、FCS）
，發送通過一係列以全雙工方式運行的以太網交換機進行。結果示於圖1中。圖2所示為采用275字節的Modbus TCP響應重複進行的相同測試的結果。由圖1和圖2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，隨(sui)著(zhe)路(lu)徑(jing)上(shang)交(jiao)換(huan)機(ji)數(shu)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)會(hui)相(xiang)應(ying)地(di)增(zeng)加(jia)。但(dan)請(qing)注(zhu)意(yi)，即(ji)使(shi)經(jing)過(guo)了(le)若(ruo)幹(gan)台(tai)交(jiao)換(huan)機(ji)，實(shi)際(ji)的(de)總(zong)傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)小(xiao)的(de)值(zhi)。
　　這(zhe)表(biao)明(ming)，與(yu)專(zhuan)用(yong)確(que)定(ding)性(xing)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)類(lei)似(si)，一(yi)旦(dan)交(jiao)換(huan)機(ji)路(lu)徑(jing)確(que)定(ding)，傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)就(jiu)會(hui)達(da)到(dao)一(yi)貫(guan)的(de)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)，變(bian)化(hua)量(liang)可(ke)能(neng)隻(zhi)是(shi)幾(ji)微(wei)秒(miao)。在(zai)兩(liang)個(ge)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)的(de)路(lu)徑(jing)上(shang)添(tian)加(jia)一(yi)台(tai)交(jiao)換(huan)機(ji)對(dui)總(zong)傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)的(de)增(zeng)量(liang)是(shi)一(yi)個(ge)大(da)體(ti)均(jun)勻(yun)的(de)值(zhi)。


圖1：78字節的Modbus響 就測試結果


圖2：275字節Modbus TCP響應測試結果

　　測試設置
　　測試采用多台有管理和無管理的工業以太網交換機進行。所用的數據包生成器為Spirent Smartbits 200
，如圖3所示。
　　Modbus請求和Modbus響應數據包在SmartBits 200的輸出接口發出後分別經過數量遞增的交換機傳遞，之後再由SmartBits 200的輸入接口接收，以測量往返時間。每個數據包在各幀之間都有標稱96比特的包間時隙（IPG），以模擬實際的數據流。所耗費時間以SmartBits 200上的單係統時鍾基準測量。由於專門用於試驗的SmartBits采用專業化ASIC來生成流量，其數據流會保持恒定，不存在軟件型數據包發生器中的操作係統波動的影響。


　　按優先級的排隊效果
　　即使配置了廣播率限製
、多duo播bo過guo濾lv和he端duan口kou優you先xian級ji，有you可ke能neng出chu現xian一yi個ge最zui大da的de低di優you先xian級ji以yi太tai網wang幀zhen正zheng好hao在zai一yi條tiao高gao優you先xian級ji自zi動dong化hua應ying用yong消xiao息xi之zhi前qian在zai交jiao換huan機ji輸shu入ru端duan開kai始shi緩huan存cun的de情qing況kuang。如ru圖tu4
所suo示shi。最zui大da的de以yi太tai網wang幀zhen將jiang被bei繼ji續xu緩huan存cun，自zi動dong化hua應ying用yong消xiao息xi數shu據ju包bao則ze將jiang被bei強qiang製zhi排pai隊dui。這zhe種zhong情qing況kuang可ke能neng很hen少shao見jian，但dan確que實shi可ke能neng出chu現xian。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，100 Mbs鏈路上自動化應用數據包所經曆的最大排隊延時將是121 μs，這並不足以對自動化應用造成破壞，完全處在確定性的合理容差範圍內。


圖4：最低優先級最大幀在高優先級信息之前開始緩存

　　針對確定性設計
　　網(wang)絡(luo)設(she)計(ji)對(dui)於(yu)確(que)定(ding)性(xing)以(yi)太(tai)網(wang)的(de)維(wei)護(hu)也(ye)起(qi)著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)，當(dang)以(yi)全(quan)雙(shuang)工(gong)方(fang)式(shi)運(yun)行(xing)時(shi)
，唯(wei)一(yi)真(zhen)正(zheng)威(wei)脅(xie)確(que)定(ding)性(xing)的(de)是(shi)由(you)非(fei)必(bi)要(yao)協(xie)議(yi)或(huo)過(guo)多(duo)廣(guang)播(bo)或(huo)多(duo)播(bo)造(zao)成(cheng)的(de)破(po)壞(huai)。如(ru)果(guo)您(nin)開(kai)發(fa)的(de)是(shi)以(yi)太(tai)網(wang)上(shang)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)（DIO）網絡
，並需要真正的確定性性能，則應考慮將專用PLC通信適配器上的DIO設備與專用交換機隔離（如圖5）。


圖5：PLC DIO設備與專用交換機隔離的DIO網絡

　　請注意，現代工業以太網交換機上的光纖接口對於距離沒有實際的限製
，這一點與其他確定性現場總線不同。在使用多模光纖介質時

，DIO網絡的相鄰兩台交換機之間可以有2 km的距離。在使用單模光纖介質時
，相鄰兩台交換機間超過20 km的允許距離實際對任何工業應用都是足夠的。相比Profibus，它並不需要降低速度即可實現。
　　總而言之，以上給出了兩種實現以太網確定性的方式：第一種是采用端到端全雙工運行，並采用工業以太網交換機的配置選項來減輕過度的廣播
、不必要的多播，並對自動化應用流量劃分優先級。這樣可以在幾乎所有自動化應用上實現1 ms以內的確定性


；第二種選擇是使用專用的DIO LAN來實現以太網上的確定性I/O控製。這種方案以最小的附加成本讓以太網可以在封閉、受控製的環境下運行，以實現確定性。
　　由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)和(he)配(pei)置(zhi)方(fang)案(an)，以(yi)太(tai)網(wang)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)比(bi)傳(chuan)統(tong)確(que)定(ding)性(xing)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)更(geng)高(gao)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，而(er)沒(mei)有(you)限(xian)製(zhi)條(tiao)件(jian)和(he)性(xing)能(neng)損(sun)失(shi)。隨(sui)著(zhe)成(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)和(he)產(chan)品(pin)選(xuan)擇(ze)範(fan)圍(wei)的(de)增(zeng)加(jia)
，以(yi)太(tai)網(wang)正(zheng)在(zai)成(cheng)為(wei)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)選(xuan)擇(ze)方(fang)案(an)。通(tong)過(guo)很(hen)少(shao)的(de)規(gui)劃(hua)並(bing)采(cai)用(yong)幾(ji)項(xiang)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)交(jiao)換(huan)機(ji)配(pei)置(zhi)功(gong)能(neng)，以(yi)太(tai)網(wang)就(jiu)可(ke)以(yi)很(hen)容(rong)易(yi)地(di)進(jin)入(ru)目(mu)前(qian)由(you)專(zhuan)用(yong)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)所(suo)占(zhan)據(ju)的(de)領(ling)域(yu)。