工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

前言：所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

　　1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1.1 通信確定性與實時性

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠的快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡(luò)負荷較大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時通信的實時性要求，一直被視為非確定性的網(wǎng)絡(luò)。

　　然而，快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應(yīng)用成為可能。首先，Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今的1 000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段。Ethernet交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。

　　1.2 穩(wěn)定性與可靠性

　　Ethernet進入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。臺灣四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品—MOXA EtherDevice Server（工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器），特別設(shè)計用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備（如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。

　　最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外，在實際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。

　　1.3 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

　　由于工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計算與操作功能，由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。

　　對應(yīng)于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主（已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對較高的層次如會話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計算機設(shè)備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等應(yīng)用層協(xié)議進行信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信。

　　為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，必須在Ethernet+TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實時通信服務(wù)機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。為此，各現(xiàn)場總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場總線應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

　　(1) HSE(High Speed Ethernet，高速以太網(wǎng))

　　HSE是現(xiàn)場總線基金會在摒棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位成實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。由HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況。現(xiàn)場設(shè)備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò)獲得控制信息。

　　HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP，在應(yīng)用層和用戶層直接采用FF H1的應(yīng)用層服務(wù)和功能塊應(yīng)用進程規(guī)范，并通過鏈接設(shè)備(Linking Device)將FF H1網(wǎng)絡(luò)連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設(shè)備同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，它的網(wǎng)橋功能能用來連接多個H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能夠進行對等通信而無需主機系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機可以與所有的鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接的H1設(shè)備進行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠程的現(xiàn)場設(shè)備，并接收來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)監(jiān)控和報表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可直接映射到標(biāo)準(zhǔn)功能塊或者“柔性功能塊”(FFB)中。

　　(2) PROFInet

　　Profibus國際組織針對工業(yè)控制要求和Profibus技術(shù)特點，提出了基于以太網(wǎng)的PROFInet，它主要包含3方面的技術(shù)：① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統(tǒng)；② 規(guī)定了Profibus和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信；③ 提供了一個包括設(shè)備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(tǒng)模型。

　　PROFInet采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP+以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC／DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設(shè)備(proxy)連接到PROFInet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動地在PROFInet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理proxy與PROFInet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。

　　(3) Ethernet/IP

　　Ethernet/IP（以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）是主推ControlNet現(xiàn)場總線的Rockwell Automation公司對以太網(wǎng)進入自動化領(lǐng)域做出的積極響應(yīng)。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品，Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等3個部分組成，前面兩部分為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設(shè)備間的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現(xiàn)信息的對等傳輸，其控制部分用來實現(xiàn)實時I/O通信，信息部分則用來實現(xiàn)非實時的信息交換。

　　2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢與前景

　　由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。從目前國際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。總的來說，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　2.1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合

　　工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究還只是近幾年才引起國內(nèi)外工控專家的關(guān)注。而現(xiàn)場總線經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，在市場上也開始了全面推廣，并且形成了一定的市場。就目前而言，全面代替現(xiàn)場總線還存在一些問題，需要進一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。因此，近一段時間內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現(xiàn)場總線相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：

　　(1) 物理介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連線，如雙絞線、光纖等；

　　(2) 使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接設(shè)備（如交換機等），在工業(yè)現(xiàn)場使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；

　　(3) 采用IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組；

　　(4) 應(yīng)用層（甚至是用戶層）采用現(xiàn)場總線的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議；

　　(5) 兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等；

　　這方面比較典型的應(yīng)用有如法國施耐德公司推出“透明工廠”的概念，即將工廠的商務(wù)網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成暢通的透明網(wǎng)絡(luò)，并與Web功能相結(jié)合，與工廠的電子商務(wù)、物資供應(yīng)鏈和ERP等形成整體。

　　2.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信已成大勢所趨

　　隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而消除了以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能。為此，國際電工委員會IEC正著手起草實時以太網(wǎng)(Real-time Ethernet, RTE)標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用。針對這種形勢，以浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院等單位，在國家“863”計劃的支持下，開展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技術(shù)的研究，重點是研究以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)，通過研究和攻關(guān)，取得了以下成果：

　　(1) 以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破。

　　針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，經(jīng)過認真細致的調(diào)研和分析，采用以下技術(shù)基本解決了以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)：

　　① 實時通信技術(shù)

　　其中采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實時性。

　　② 總線供電技術(shù)

　　采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題

　　③ 遠距離傳輸技術(shù)

　　采用網(wǎng)絡(luò)分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò)超小時滯中繼以及光纖等技術(shù)解決以太網(wǎng)的遠距離傳輸問題。

　　④ 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

　　采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡(luò)隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò)隔離。

　　⑤ 可靠性技術(shù)

　　采用分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計、EMC設(shè)計、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計技術(shù)等，提高基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備可靠性，經(jīng)實驗室EMC測試，設(shè)備可靠性符合工業(yè)現(xiàn)場控制要求。

　　(2) 起草了EPA國家標(biāo)準(zhǔn)。

　　以工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信為目標(biāo)，以工業(yè)控制工程師（包括開發(fā)和應(yīng)用）為使用對象，基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙技術(shù)+TCP/IP協(xié)議，起草了“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”（草案），并通過了由TC124組織的技術(shù)評審。

　　(3) 開發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備及相關(guān)軟件原型樣機，并在化工生產(chǎn)裝置上成功應(yīng)用。針對工業(yè)現(xiàn)場控制應(yīng)用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設(shè)計措施，開發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場控制設(shè)備，主要包括：基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備通信模塊、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集器、軟PLC等成果等。

　　在此基礎(chǔ)上開發(fā)的基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在杭州某化工廠的聯(lián)堿碳化裝置上成功應(yīng)用，該系統(tǒng)自2003年4月投運一直穩(wěn)定運行至今。

　　2.3 發(fā)展前景

　　據(jù)美國權(quán)威調(diào)查機構(gòu)ARC(Automation Research Company)報告指出，今后Ethernet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)通信市場，也必將領(lǐng)導(dǎo)未來現(xiàn)場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。美國VDC(Venture Development Corp.)調(diào)查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，市場占有率的增長也越來越快，將從2000年的11%增加到2005年的23%。

　　由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。

　　目前，在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2001年9月，我國科技部發(fā)布了基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線設(shè)備研究項目，其目標(biāo)是：攻克應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括解決以太網(wǎng)通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等問題，同時研究開發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件