摘　要：分析了工業以太網與實時以太網技術特點，介紹了IEC國際標準體系中的工業以太網協議。 關鍵詞：工業以太網 實時以太網 國際標準 1 引言 隨著計算機、通信、網絡等信息技術的發展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業乃至世界各地的市場，因此，需要建立包含從工業現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡平臺，建立以工業控制網絡技術為基礎的企業信息化系統。 工業控制網絡作為一種特殊的網絡，直接面向生產過程，肩負著工業生產運行一線測量與控制信息傳輸的特殊任務，并產生或引發物質或能量的運動和轉換，因此它通常應滿足強實時性、高可靠性、惡劣的工業現場環境適應性、總線供電等特殊要求和特點。 在這種背景下，20世紀80年代產生和發展起來的現場總線技術，以全數字的通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，使得控制系統與現場儀表之間不僅能傳輸生產過程測量與控制信息，而且能夠傳輸現場儀表的大量非控制信息，使得工業企業的管理控制一體化成為可能。并且促使目前的自動化儀表、DCS和可編程控制器（PLC）等產品所面臨的體系結構和功能結構產生重大變革。 現場總線技術在其發展過程中存在不足： （1） 現有的現場總線標準過多，僅國際標準IEC61158就包含了8個類型，未能統一到單一標準上來; （2） 不同總線之間不能兼容，不能真正實現透明信息互訪，無法實現信息的無縫集成; （3） 由于現場總線是專用實時通信網絡，成本較高; （4） 現場總線的速度較低，支持的應用有限，不便于和Internet信息集成。 2 工業以太網 什么是工業以太網？一般來講，工業以太網在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度和適用性方面能滿足工業現場的需要。即滿足以下要求： （1） 環境適應性 包括機械環境適應性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環境適應性（工作溫度要求為-40～+85℃，至少為-20～+70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN 50081-2、EN 50082-2標準。 （2） 可靠性 工業以太網產品要適應工業控制現場的惡劣環境。 （3） 安全性 在易爆或可燃的場合，工業以太網產品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質安全兩種方式。 （4） 安裝方便，適應工業環境的安裝要求。 為了解決在不間斷的工業應用領域，在極端條件下網絡也能穩定地工作的問題，一些公司專門開發和生產了導軌式收發器、集線器和交換機系列產品，安裝在標淮DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。另外一些公司還專門開發和產生了用于工業控制現場的加固型連接件（如加固的RJ45接頭、具有加固RJ45接頭的工業以太網交換機、加固型光纖轉換器/中繼器等），可以用于工業以太網變送器、執行機構等。工業以太網設備與商用以太網設備之間的區別如附表所示。 3 實時以太網 眾所周知，以太網由于采用CSMA/CD的介質訪問控制機制，而具有通信不確定性的特點，并一度成為它應用于現場總線的主要障礙。因此，僅僅通過采取一些措施，提高以太網設備應用的可靠性和環境適應性，工業以太網仍然沒有能夠解決通信實時性問題。 為此，世界各大公司開始研究基于以太網的通信確定性和實時性問題，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通過了工業現場的實際應用驗證。 2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應實時以太網市場應用需求，制定實時以太網應用行規國際標準。根據IEC/SC65C/WG11定義，所謂實時以太網RTE（Real-time Ethernet），是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關網絡組件或IEC1588的總體行為，但可以在一定程度上進行修改，使之滿足實時行為： 實時性，即確定性通信; 現場設備之間的時間同步行為; 充分、頻繁的長度較短的數據交換。 為此，實時以太網標準首先需要解決實時通信問題，同時，還需要定義應用層的服務與協議規范，以解決開放系統之間的信息互通問題。 標準制定過程中，IEC/SC65C/WG11收到了包括中國EPA在內的6個新的實時以太網提案，這些提案均具有一定的特色。最后，在經過幾次的認真討論，并基于IEC/SC65C于2002年所作的“2007年前不再向IEC61158標準中增加新的類型”的決定，工作組一致同意將新的實時以太網協議作為公共可用規范PAS（Publicly Available Specification）予以發布，2007年IEC61158修訂時，再考慮將這些PAS引入IEC61158。 4 工業以太網協議簡介 目前現場總線體系中，基于以太網的通信協議除了現場總線應用行規國際標準IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，還包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6個新的提案。 4.1 HSE（High Speed Ethernet，高速以太網） HSE是現場總線基金會在據棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現場總線基金會明確將HSE定位于實現控制網絡與互聯網Internet的集成。由HSE鏈接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干上并進一步送到企業的ERP和管理系統。操作員在主控室可以直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況。現場設備同樣也可以從網絡獲得控制信息。 HSE在低四層直接采用以太網+TCP/IP，在應用層和用戶層直接采用FF H1的應用層服務和功能塊應用進程規范，并通過鏈接設備（Linking Device）將FF H1網絡連接到HSE網段上，HSE鏈接設備同時也具有網橋和網關的功能，它的網橋功能能夠用來連接多個H1總線網段，使不同H1網段上面的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統的干預。HSE主機可以與所有的鏈接設備和鏈接設備上掛接的H1設備進行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場設備，并接收來自現場設備的數據信息，實現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能塊或者“柔性功能塊”（FFB）中。 4.2 Profinet Profinet由Siemens 開發并由Profibus International支持，目前它有3個版本，第一個版本定義了基于TCP/UDP/IP的自動化組件。采用標準TCP/IP+以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM來完成節點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場設備?，F有的Profibus網段可以通過一個代理設備（proxy）連接到Profinet網絡當中，使整套Profibus設備和協議能夠原封不動地在Profinet中使用。傳統的Profibus設備可通過代理與Profinet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現COM對象之間的調用。它將以太網應用于非時間關鍵的通信，用于高層設備和Profibus-DP現場設備技術之間，以便將實時控制域通過代理集成到一個高層的水平上。 第二個版本中，Profinet在以太網上開辟了兩個通道：標準的使用TCP/IP協議的非實時通信通道，另一個是實時通道，旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。該協議減少了數據長度，以減小通信棧的吞吐量。為優化通信功能，Profinet根據IEEE 802.p定義了報文的優先級。最多可用7級。 Profinet第三版采用了硬件方案以縮小基于軟件的通道，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間。為連接到集成的以太網交換機，Profinet第三版還開始解決基于IEEE 1588同步數據傳輸的運動控制解決方案。 4.3 Ethernet/IP Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太網工業協議）由ROCKWELL定義，并由ODVA和ControlNet International支持。EtherNet/IP網絡采用商業以太網通信芯片、物理介質和星形拓撲結構，采用以太網交換機實現各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商業產品，Ethernet/IP協議由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和控制與信息協議CIP（Control Information Protocol）等三個部分組成，前面兩部分為標準以太網技術，其特色就是被稱作控制和信息協議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性，采用了ControlNet和Devicenet控制網絡中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現信息的對等傳輸，其控制部分用來實現實時I/O通信，信息部分則用來實現非實時的信息交換。 4.4 EPA EPA是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、大連理工大學、清華大學等單位聯合成立了浙江中控技術股份有限公司總裁金建祥教授為組長的標準起草工作小組起草。 EPA系統中，將控制網絡劃分為若干個控制區域，每個控制區域即為一個微網段。每個微網段通過EPA網橋與其他網段進行分隔，該微網段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。 處于不同微網段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網橋進行轉發控制。EPA網橋至少有2個EPA接口，當它需要轉發報文時，首先檢查報文中的源IP地址與目的IP地址、EPA服務標識等信息，以確認是否需要轉發，并確定報文轉發路徑。因此，任何廣播報文的轉發也將受到控制，而不會發生采用一般交換機所出現的廣播風爆。 而連接在每個微網段的EPA設備，通過其內置的通信棧軟件，分時向網絡上發送報文，以避免兩個設備在同一時刻向網絡上同時發送數據，避免報文碰撞，用戶可以預知其發出的信息在可預知的時間內到達目的站點。 EPA系統中，支持IEEE 1588的時間同步，還支持標準以太網幀與EPA實時以太網幀的并行傳輸。 4.5 EtherCAT EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國倍福Beckhoff公司開發，并由EtherCAT技術組（EtherCAT Technology Group，ETG）支持。它采用以太網幀，并以特定的環狀拓撲發送數據。網絡上的每一個站均從以太網幀上取走與該站有關的數據，或并插入該站本身特定的輸入/輸出數據。網絡內的最后一個模塊向第一個模塊發送一個幀以形成和創建一個物理和邏輯環。EtherCAT還通過內部優先級系統，使實時以太網幀比其他的數據（如組態或診斷數據，等）具有較高的優先級。組態數據只在傳輸實時數據的間隙（如間隙時間足夠傳輸的話）中傳輸，或者通過特定的通道傳輸。EtherCAT還保留標準以太網功能，并與傳統IP協議兼容。為了實現這樣的裝置，需要專用ASIC芯片，以集成至少兩個以太網端口，并采用基于IEEE 1588的時間同步機制，以支持運動控制中的實時應用。 4.6 Powerlink Powerlink由貝加萊B&R公司開發，并由Ethernet Powerlink標準化組（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。 Powerlink協議對第三、四層的TCP（UDP）/IP棧進行了擴展。它在共享式以太網網段上采用槽時間通信網絡管理（Slot Communication Network Management，SCNM）中間件控制網絡上的數據流量。SCNM采用主從調度方式，每個站只有在收到主站請求的情況下，才能發送實時數據。因此，在一個特定的時間，只有一個站能夠訪問總線，所以沒有沖突，從而確保了通信的實時性。為此，Powerlink需采用基于IEEE 1588的時間同步。在其擴展的第二版中，包括了基于CANopen的通信與設備行規。 4.7 VNET/IP VNET/IP由日本橫河Yokogawa開發，該協議的實時擴展是實時可靠數據報協議（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在傳輸層采用UDP協議，但在IP棧協議層進行了優化以實現冗余網絡聯結。 4.8 TCnet TCnet是由日本東芝Toshiba開發的，它在MAC進行了實時擴展，并基于標準以太網開辟了兩個冗余通道連接。 4.9 Modbus-IDA Modbus/TCP由施耐德電氣定義，并由Modbus-IDA支持，它在TCP/IP網絡上應用Modbus協議。其實時擴展采用了在UDP上的實時發布者預訂者（Real-time Publisher Subscriber，RTPS）。 Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太網和標準TCP/IP協議，直接應用第四層。它定義了一個結構簡單的、開放和廣泛應用的傳輸協議，用于主從式通信。 IDA結構可用于實時和非實時應用。其確定性通信可以通過IDA中間件來實現。中間件包含了標準的Modbus/TCP協議。IDA還采用基于Web的通信應用，提供了水平和垂直的集成，并擴展了Web服務器的應用。 5 結束語 從工業以太網技術發展形勢看，盡管各種工業以太網技術可能會像現場總線國際之爭那樣，出現多協議并存局面，但國際上已形成基本一致看法，工業自動化技術發展不可能離開國際主流信息技術發展，以太網在工業控制系統中的應用必將越來越廣。在實時以太網技術為基礎上，IT領域中很多主流技術必將對工業控制技術的發展起到推動作用。