工业网络衔接工厂内的机器、机器人、传感器、 履行器、控制器和核算机，以便于指令和数据的交流，然后同步它们的作业。网络中机器的同步操作需求每个机器都有相同的“精细时刻”。每台机器上的精细时刻 保证了网络中事情的相对次序。缺少精确的时刻或许会导致机器和机器人操作次序紊乱CONTROL ENGINEERING China版权一切，这反过来或许导致产品质量差、重要信息丢掉、乃至发生灾难性的事端。本文探讨了工业网络中的精细时序的必要性，以及各种运用和机制所需的时刻精度来保证以太网网络中的时序精确性。
工业网络
传统的工业网络运用专有的、特定供货商供给的网络技能衔接工厂内的机器和核算机。专有的网络技能导致不同厂商机器之间的互操作困难，然后导致本钱进步。可是，在曩昔的二十年，人们喜爱将运用广泛的以太网技能用于工厂内的机器互连。在20世纪80年代和90年代，作业网络的急速开展使得敞开的以太网技能获得了广泛选用。以太网解决方案的规划和成熟性促成了行业规范的树立，完成了不同厂商设备之间的互操作性、供给了很多的技能人才、降低了设备本钱和总具有本钱。
以太网网络技能供给了史无前例的的可扩展性和购买可承受能力，可是它有一个严峻的缺点。为了坚持网络衔接和设备的高利用率然后能降低本钱，以太网技能选用依据需求的通讯资源分配方法。从技能视点来看，这是被称为“异步”或“尽力而为”的通讯方法。如上所述CONTROL ENGINEERING China版权一切，工业网络的一个要害的需求是将精细时刻分发到一切节点。在工厂中运用以太网进 行机器同步的首要应战是树立一个机制，在不行预知的异步网络中精确地分发精细时序。这个可猜测的精细时序分发机制被称为“精细时序协议(PTP)，这将在 本文后边评论。PTP由IEEE规范“IEEE1588” (在不行预知的网络中，可猜测的保护精细时刻的另一个术语)界说，而且现在由该规范进行保护。
相反，传统的工业网络中运用一个同步通讯机制或一个独自的专用网络，完成一切机器的精细时刻的分发。这两种机制都需求分配专用的资源来树立两个节点之间的通讯，然后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本钱。异步以太网网络中的精细时刻分发所面对的应战如图1所示。
图1：经过网络的精细时刻分发
时钟精确性和精度
简直一切的现代化机器、传感器、 履行器和核算机都有本地数字时钟。可是，这些本地时钟是依据晶振的，跟着时刻的推移，因为环境改变(温度和湿度)和晶体老化而发生偏移。因而控制工程网版 权一切，在网络中的本地时钟需求守时运用一个十分精细的主时钟或参阅时钟进行同步。主时钟是一个GPS接收机或许铷或铯时钟。因为节点之间的通讯速度成倍 添加，需求精度更高的时钟来保持网络中事情的相对次序。图2说明晰时钟精确性和精度的概念。时钟精确性丈量了与整个网络参阅时钟之间的时刻差。时钟精细表 示丈量到时刻的可重复性。
图2：时钟精确性和精度的界说
因为网络中机器之间通讯速度从Kbps添加到Mbps、Gbps和万兆比特每秒，接连事情之间的时刻空隙变得微乎其微。曩昔，工业时钟需求毫秒级的精度;可是，跟着通讯速度越来越快，工业时钟需求微秒乃至纳秒级的精度(图3)。
图3：随数据速率的添加时钟精度要求成倍添加
表1(下页)列出了不同类型网络的精度要求。作业网络(局域网)仅需一到十毫秒的本地时钟精度。毫秒级的时钟精细度可以运用称为网络时序协议(NTP)的软件协议很容易地完成，该协议适用于操作体系(Windows和Linux)和局域网，完成了作业设备的互连。传统的工业网络要求本地机器时钟与参阅时钟(或主时钟)相差不到0.1微秒。传统的工业网络运用独立的布线来分发参阅时刻并同步本地时钟。新的数据密集型工业网络要求极具本钱效益的以太网网络具有纳秒级的时钟精度。精细时序协议2.0版(PTP v2.0)规划用于为“尽力而为”型的以太网网络供给纳秒级的时钟精度。PTP v2.0经过尽或许地挨近网络接口，在硬件中完成时刻戳和同步算法，然后完成纳秒级的时钟精度。
表1：各种运用所需的时钟精度
精细时序协议2.0版(IEEE 1588 2.0版)
精细时序协议(PTP)的意图是在不需求一个独自且贵重的时序网络的情况下，同步机器上的本地时钟。PTP是一个自下而上协作的协议，其间本地 节点彼此通讯(经过音讯交流)来发现它们中的主时钟而且相互同步。因为PTP在数据网络中作业，交流机、路由器和操作体系都有不同程度的延时，它为“时序 数据包”摆放优先级或创立特定的行列，其间包括同步的信息。为了消除操作体系和服务器引进的推迟，协议处理在硬件(FPGA或ASSP)中完成，并对时序 数据包运用硬件时刻戳。
精细时序协议的特性是运用协作的音讯交流算法，从时钟核算与主时钟之间的“时刻偏移”和“传输推迟”。图4说明晰PTP的音讯流，以确认“时钟 偏移”和“传输推迟”。因为每个从时钟都要核算两个变量——偏移和推迟——主从时钟需求交流两组音讯。首要，主时钟守时地(一般每秒一次)向一切从时钟广 播时刻同步数据包。其次，每个从时钟向主时钟发送“推迟恳求”音讯以确认“传输推迟”。两组音讯交流得到两个线性方程，然后确认“从时钟偏移”和“传输延 迟”。
图4：确认主从时钟之间偏移的机制
FPGA完成
完成精细时序协议要求在数据包一抵达网络接口卡(N%&&&&&%)时就进行捕捉并符号时刻戳。纳秒级精度的分布式时钟也需求在硬件中以最小改变履行各种 同步过程。带有SERDES功用的现场可编程门阵列(FPGA)器材，如LatticeECP3FPGA器材供给了很多的优势，完成更挨近网络接口的精细 时序协议：
1.高速串行接口(SERDES)，敏捷捕捉时序数据包;
2.灵敏和精确的时钟电路(PLL);
3.精度可以依据体系要求进行调整;
4.用于存储时序数据包的FIFO行列，可以在FPGA结构中接近高速I/O模块处完成;
5.FPGA中的嵌入式硬件或软件处理器，也可以用于完成精细时序协议;
6.不占用主CPU的外部PTP处理功用;
7.不断开展的精细时序协议可以在灵敏的FPGA平台上完成轻松升级。
总结
工业环境中干流以太网网 络的敏捷遍及需求运用精细时序技能来同步机器和机器人。精细时序协议(IEEE1588)供给了从亚微秒到纳米秒级的同步精度。PTP的软件完成供给了亚 微秒级以上的精度。时刻戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件完成可供给高达纳秒级的精度。跟着通讯数据传输速率的添加，所需的时序精度呈指数添加。PTP v2.0可以满意最先进的数控机床的严厉时序要求。
