工业以太网EtherNet／IP性能分析

所有的适配器进行通信，采用2级采集的方式实现数据交互。

图2 EtherNet／IP系统图

EtherNet／IP基于标准的以太网，因此，其网络负荷的计算方法与以太网的网络负荷计算方法基本一致。

假设每台适配器的数据长度都为50 Byte，即50 Byte的输入数据，50 Byte的输出数据，扫描机与监控中心交互的数据长度为1 500Byte，即1 500 Byte的输人数据，1 500 Byte的输出数据。

扫描机与每台适配器、监控中心的数据交互周期都为100 ms。通信速率为100 MB。

在EtherNet／IP网络中，实际数据封装组成如图3所示。

图3 EtherNet／IP数据封装组成

因此，扫描机与适配器间要传输50 Byte的数据，实际在EtherNet／IP网络中传输了128 Byte，即1O24 bit。扫描机与监控中心之间传输1 500 Byte的数据，实际EtherNet／IP网络中传输了l 578 Byte，即12 624 bit。

每秒钟传送报文所占的时间：

T=CB×CT／V

式中：CB为每个报文比特数；CT为每秒钟报文数目；V为网络通信速率。每秒钟报文数目：

CT=A×B×C

式中：A为每秒钟传输报文的次数；B为数据是单向还是双向；C为适配器的个数。

首先，计算扫描机与30个适配器之间的数据：

此例中，传输周期为100 ms，因此A=10。而扫描机与适配器之间的数据是双向的，即有输入和输出数据，因此B=2。网络中有30个Adapter设备，因此C=30。

即该网络中每秒钟传送的报文只占用了8．67 ms，网络负荷率仅为0．867％。

上述只是计算了隐式(周期性)报文的网络负荷率，因为显式(非周期)报文只是在需要时偶尔发送一次，对整个网络的影响很小，可忽略不计。

由此可见，EtherNet／IP网络完全可以应用于工业环境中。

3．2 EtherNet／IP性能指标

在EtherNet／IP网络中，评估网络性能的主要是以下2个指标：①请求包间隔时间(RequestedPacket Interval，RPI)；②每秒钟所发的包的个数(Packet per Second，PPS)。RPI是数据周期性传输的一个再要指标，无论网络中有多少个节点，源设备都按照用户指定的RPI周期来向目标设备发送数据。而PPs=1 000÷RPI(ms)。—个设备的总PPS=源设备的总PPS+目标设备的总PPS

根据各设备的性能，设备厂家会制定设备的最小RPI和最大PPS。用户评估网络性能时，一个设备的总PPS通常不能超过最大PPS的90％，保留10％的带宽用于显式报文的通信。

举例来说，EtherNet／IP网络节点，如图4所示。网络中有3个EtherNet／IP设备，分别是节点1～3，其网络最大带宽是3 000 PPS。

图4 EtherNet／IP网络节点示意图

节点1设备既有作为发送端也有作为目标端的连接，对节点2发送端的2个RPI分别是50、4 ms，接收端的RPI为2 ms；对节点3发送端的RPI为4 ms，接收端的RPI为8 ms。同理，节点2接收的RPI分别为50，4和5 ms，发送端的RPI为2 ms。节点3发送的RPI分别为5和8 ms，接收端的RPI为4 ms。

图5 数据传输过程图

为了实现EtherNet／IP设备高速度、大容量、安全稳定的传输，一般都采用嵌入式实时操作系统开发EtherNet／IP设备。如图5所示，节点1、2在发送接收数据时都存在延迟，跟设备本身的性能密切相关，通常会有纳秒到毫秒级不等的延迟。

因此，用户在组建EtherNet／IP网络时，需综合考虑整个网络的性能、成本等多方面的因素，可通过设备的说明书或者数据手册查询生产厂家给出的设备性能参数，选择符合自身需求的电缆和交换机等网络配件。

4 结语

随着以太网通信速率的提高和全双工通信、交换机技术的发展，以太网的通信确定性得到了保障，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍。以太网的开放性、带宽高、应用广泛的特点使其在工控领域具有巨大的优势，因此，世界著名厂家和集团纷纷支持工业以太网并制订了不同的工业应用标准，而EtherNet／IP已成为国际标准IEC 61158(测量和控制数字数据通信——工业控制系统用现场总线)和IEC 61784(与工业控制系统中使用的现场总线有关的用于连续和离散制造的行规集)的重要组成部分，它能为自动化通信领域提供一个完整的网络解决方案，包含了实时以太网、分布式自动化、运动控制、网络安全等当前自动化领域的最新技术。

EtherNet／IP采用生产者／消费者模式极大提高了EtherNet／IP设备通信的效率。而EtherNet／IP基于标准的以太网，意味着EtherNet／IP工业用户能够直接受益于标准以太网技术本身的持续创新和成本降低等带来的众多好处，EtherNet／IP的性能会随着以太网其他技术如信息安全技术、高速传输技术、高速交换技术等的不断发展而水涨船高。因此，EtherNet／IP必将成为新一代工业网络的主流。