交换以太网在网络控制系统中的应用

　　1 引言

　　近年来，随着控制系统的日益发展，大量的分布式实时控制系统被应用于复杂工业控制领域，控制器、传感器以及执行器在空间上分布越来越趋向分散化，而对于信息资源共享能力，及控制网络的稳定性的要求却逐步提高，控制系统的发展呈现集成化、分布化、高灵活性的发展趋势。应运而生的网络控制系统正是日益完善的计算机网络通讯技术与控制理论相融合的产物;在为传统的自动化系统在体系结构、控制方法以及人机协作等方面注入新的内涵的同时，带来了巨大的机遇和挑战。

　　通常研究的网络控制系统(NCS)具有如下的特点：信息在控制系统各单元间通过共用网络进行交换;高效的信息共享和数据交换;少量的线路连接以及槽架搭建;便捷的系统维护和故障诊断等。但是由于网络的介入，网络控制系统中显露了很多不同于传统控制系统的新问题，主要表现在：信息流的传输延迟问题;由于网络堵塞或传输中断引起的时序错乱、数据包丢失问题。针对这两个问题，目前网络控制系统中，采用了很多不同的网络模型和数据处理算法，如CAN、Ethernet、TDMA、退避算法等。

　　近两年，随着网络技术的发展，交换以太网技术得到了进一步的普及，相对于普通以太网技术而言，其性价比近年来得到了大幅度提高。下面本文针对普通以太网和交换以太网，这两种目前最主要的网络模型，比较了它们对网络控制系统性能的影响。

　　2 网络模型分析

　　本节主要说明了普通以太网和交换以太网，两个网络模型的数据传输原理，并进行了简要的比较。

　　①普通以太网

　　此类网络采用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)技术，网络上的每个结点在发送数据包前需要侦听传输媒介是否空闲，如果空闲则发送，否则等待一段时间τ(μs)，再次检测，以判断是否继续等待;等待时间随等待次数指数增长。如果两结点同时发送则产生冲突，则在传输媒介上发送冲突信号并等待。如果等待次数超过一个预先设定值，则此次发送失败，有可能是网络故障。由此过程可知，普通以太网适用于网络负载较低情况下的数据传输，且数据延时较长;对于高负载、实时性高的场合，此类网络模型一般不能满足数据传输所要求的性能。

　　②交换以太网

　　相对于普通以太网所用的集线器(HUB)而言，交换以太网在集线器中引入了数据交换机制，利用存储—转发技术克服了普通以太网传输实时性差，等待时间长的缺点。此类设备在外形上类似于集线器，但在内部电路中增加了存储芯片，用于各端口数据发送的缓冲和网络中MAC地址的保存。同时，由于采用了数据交换技术，使得各个接入端口之间可以同时发送数据，随着缓存芯片的增大，各个端口之间同时可以发送的数据也随之增多。从而保证了网络中数据传输的实时性，大幅度降低了数据传输延时。