工业以太网与实时以太网协议剖析

1、引 言
    随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。
    工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。
    在这种背景下，20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数字的通信代替4～20mA电流的模拟传输方式，使得控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息，而且能够传输现场仪表的大量非控制信息，使得工业企业的管理控制一体化成为可能。并且促使目前的自动化仪表、DCS和可编程控制器（PLC）等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革。
    现场总线技术在其发展过程中存在不足：
    （1）现有的现场总线标准过多，仅国际标准IEC61158就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来；
    （2）不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成；
    （3）由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高；
    （4）现场总线的速度较低，支持的应用有限，不便于和Internet信息集成。

2、工业以太网
    什么是工业以太网？一般来讲，工业以太网在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度和适用性方面能满足工业现场的需要。即满足以下要求：
    （1） 环境适应性
    包括机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、气候环境适应性（工作温度要求为-40～+85℃，至少为-20～+70℃，并要耐腐蚀、防尘、防水）、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN 50081-2、EN 50082-2标准。
    （2） 可靠性
    工业以太网产品要适应工业控制现场的恶劣环境。
    （3） 安全性
    在易爆或可燃的场合，工业以太网产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安全两种方式。
    （4） 安装方便，适应工业环境的安装要求。
    为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定地工作的问题，一些公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品，安装在标淮DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。另外一些公司还专门开发和产生了用于工业控制现场的加固型连接件（如加固的RJ45接头、具有加固RJ45接头的工业以太网交换机、加固型光纤转换器/中继器等），可以用于工业以太网变送器、执行机构等。工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别如附表所示。

附表 工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别

3、实时以太网 
    众所周知，以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制，而具有通信不确定性的特点，并一度成为它应用于现场总线的主要障碍。因此，仅仅通过采取一些措施，提高以太网设备应用的可靠性和环境适应性，工业以太网仍然没有能够解决通信实时性问题。
    为此，世界各大公司开始研究基于以太网的通信确定性和实时性问题，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通过了工业现场的实际应用验证。
    2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作组，旨在适应实时以太网市场应用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。根据IEC/SC65C/WG11定义，所谓实时以太网RTE（Real-time Ethernet），是指不改变ISO/IEC8802-3的通信特征、相关网络组件或IEC1588的总体行为，但可以在一定程度上进行修改，使之满足实时行为：
    实时性，即确定性通信；
    现场设备之间的时间同步行为；
    充分、频繁的长度较短的数据交换。
    为此，实时以太网标准首先需要解决实时通信问题，同时，还需要定义应用层的服务与协议规范，以解决开放系统之间的信息互通问题。
    标准制定过程中，IEC/SC65C/WG11收到了包括中国EPA在内的6个新的实时以太网提案，这些提案均具有一定的特色。最后，在经过几次的认真讨论，并基于IEC/SC65C于2002年所作的“2007年前不再向IEC61158标准中增加新的类型”的决定，工作组一致同意将新的实时以太网协议作为公共可用规范PAS（Publicly Available Specification）予以发布，2007年IEC61158修订时，再考虑将这些PAS引入IEC61158。

4、工业以太网协议简介
    目前现场总线体系中，基于以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，还包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6个新的提案。

    4.1 HSE（High Speed Ethernet，高速以太网）
    HSE是现场总线基金会在据弃了原有高速总线H2之后的新作。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。
    HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备（Linking Device）将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能够用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上面的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”（FFB）中。 [page]

    4.2 Profinet
    Profinet由Siemens 开发并由Profibus International支持，目前它有3个版本，第一个版本定义了基于TCP/UDP/IP的自动化组件。采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备（proxy）连接到Profinet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在Profinet中使用。传统的Profibus设备可通过代理与Profinet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。它将以太网应用于非时间关键的通信，用于高层设备和Profibus-DP现场设备技术之间，以便将实时控制域通过代理集成到一个高层的水平上。
    第二个版本中，Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道，另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE 802.p定义了报文的优先级。最多可用7级。
    Profinet第三版采用了硬件方案以缩小基于软件的通道，以进一步缩短通信栈软件的处理时间。为连接到集成的以太网交换机，Profinet第三版还开始解决基于IEEE 1588同步数据传输的运动控制解决方案。

    4.3 Ethernet/IP
    Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太网工业协议）由ROCKWELL定义，并由ODVA和ControlNet International支持。EtherNet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商业产品，Ethernet/IP协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP（Control Information Protocol）等三个部分组成，前面两部分为标准以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和Devicenet控制网络中相同的CIP，CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。

    4.4 EPA
    EPA是在国家科技部“863”计划的支持下，由浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位联合成立了浙江中控技术股份有限公司总裁金建祥教授为组长的标准起草工作小组起草。
    EPA系统中，将控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过EPA网桥与其他网段进行分隔，该微网段内EPA设备间的通信被限制在本控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。
    处于不同微网段内的EPA设备间的通信，需由相应的EPA网桥进行转发控制。EPA网桥至少有2个EPA接口，当它需要转发报文时，首先检查报文中的源IP地址与目的IP地址、EPA服务标识等信息，以确认是否需要转发，并确定报文转发路径。因此，任何广播报文的转发也将受到控制，而不会发生采用一般交换机所出现的广播风爆。
    而连接在每个微网段的EPA设备，通过其内置的通信栈软件，分时向网络上发送报文，以避免两个设备在同一时刻向网络上同时发送数据，避免报文碰撞，用户可以预知其发出的信息在可预知的时间内到达目的站点。
    EPA系统中，支持IEEE 1588的时间同步，还支持标准以太网帧与EPA实时以太网帧的并行传输。

    4.5 EtherCAT
    EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德国倍福Beckhoff公司开发，并由EtherCAT技术组（EtherCAT Technology Group，ETG）支持。它采用以太网帧，并以特定的环状拓扑发送数据。网络上的每一个站均从以太网帧上取走与该站有关的数据，或并插入该站本身特定的输入/输出数据。网络内的最后一个模块向第一个模块发送一个帧以形成和创建一个物理和逻辑环。EtherCAT还通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其他的数据（如组态或诊断数据，等）具有较高的优先级。组态数据只在传输实时数据的间隙（如间隙时间足够传输的话）中传输，或者通过特定的通道传输。EtherCAT还保留标准以太网功能，并与传统IP协议兼容。为了实现这样的装置，需要专用ASIC芯片，以集成至少两个以太网端口，并采用基于IEEE 1588的时间同步机制，以支持运动控制中的实时应用。

    4.6 Powerlink
    Powerlink由贝加莱B&R公司开发，并由Ethernet Powerlink标准化组（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。
    Powerlink协议对第三、四层的TCP（UDP）/IP栈进行了扩展。它在共享式以太网网段上采用槽时间通信网络管理（Slot Communication Network Management，SCNM）中间件控制网络上的数据流量。SCNM采用主从调度方式，每个站只有在收到主站请求的情况下，才能发送实时数据。因此，在一个特定的时间，只有一个站能够访问总线，所以没有冲突，从而确保了通信的实时性。为此，Powerlink需采用基于IEEE 1588的时间同步。在其扩展的第二版中，包括了基于CANopen的通信与设备行规。

    4.7 VNET/IP
    VNET/IP由日本横河Yokogawa开发，该协议的实时扩展是实时可靠数据报协议（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在传输层采用UDP协议，但在IP栈协议层进行了优化以实现冗余网络联结。

    4.8 TCnet
    TCnet是由日本东芝Toshiba开发的，它在MAC进行了实时扩展，并基于标准以太网开辟了两个冗余通道连接。

    4.9 Modbus-IDA
    Modbus/TCP由施耐德电气定义，并由Modbus-IDA支持，它在TCP/IP网络上应用Modbus协议。其实时扩展采用了在UDP上的实时发布者预订者（Real-time Publisher Subscriber，RTPS）。
    Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太网和标准TCP/IP协议，直接应用第四层。它定义了一个结构简单的、开放和广泛应用的传输协议，用于主从式通信。
    IDA结构可用于实时和非实时应用。其确定性通信可以通过IDA中间件来实现。中间件包含了标准的Modbus/TCP协议。IDA还采用基于Web的通信应用，提供了水平和垂直的集成，并扩展了Web服务器的应用。

5、结束语
    从工业以太网技术发展形势看，尽管各种工业以太网技术可能会像现场总线国际之争那样，出现多协议并存局面，但国际上已形成基本一致看法，工业自动化技术发展不可能离开国际主流信息技术发展，以太网在工业控制系统中的应用必将越来越广。在实时以太网技术为基础上，IT领域中很多主流技术必将对工业控制技术的发展起到推动作用。