工業(yè)以太網(wǎng)，爭(zhēng)論與追捧中的不斷行進(jìn) - 全文

　　前言

　　近二十多年由于通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域也隨之得到了迅速的提高和改革，自動(dòng)化工程師不僅將這種新技術(shù)大膽地運(yùn)用到工業(yè)實(shí)踐中去，同時(shí)學(xué)術(shù)上也進(jìn)行了激烈的爭(zhēng)論，其焦點(diǎn)無(wú)外乎于：

　　* 各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之爭(zhēng)

　　* 基于 PC 的控制器與 PLC 控制器的技術(shù)之爭(zhēng)

　　* 現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之爭(zhēng)

　　經(jīng)過(guò)近二十年的爭(zhēng)論，現(xiàn)場(chǎng)總線已有了定論，八種總線歸納于一個(gè) IEC 61158 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生不僅僅是技術(shù)的應(yīng)用的比較，更主要是顧及各國(guó)的經(jīng)濟(jì)利益，八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)互相不兼容， 成為一個(gè)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，看來(lái) OPC 這類純技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，在 TC 65 委員會(huì)顯然行不通了。同時(shí)基于 PC 的控制器與 PLC 控制器的爭(zhēng)論也相持了十多年，相持不下，PLC 控制器生產(chǎn)廠雖然表示支持基于 PC 控制器的發(fā)展， 但是更多的處于觀望的態(tài)度，而基于 PC 的控制器新的開發(fā)廠，由于規(guī)模小，市場(chǎng)小， 資金短缺，一直處于劣勢(shì)，只有等待到大公司的醒悟，才會(huì)出現(xiàn)新的局面。 唯一感到欣慰是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織沒有將一種或幾種控制器作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 還要留給了搞自動(dòng)控制的人們一絲希望， 努力奮斗去搞新的技術(shù)和新的產(chǎn)品。 最近 PC 控制技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)新的跡象，新的工業(yè)控制器之爭(zhēng)又要展開，即 PAC 與 PLC 之爭(zhēng)，這一次新的爭(zhēng)論的起源恰恰與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展有關(guān)。

　　實(shí)際上是如何將現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化控制問(wèn)題的爭(zhēng)論。更深一步地分析， 就是現(xiàn)成廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線和日益發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的爭(zhēng)論，現(xiàn)場(chǎng)總線派反對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層，以保持其在現(xiàn)場(chǎng)層信號(hào)傳輸?shù)牡匚?，而新的工業(yè)以太網(wǎng)派則低估現(xiàn)場(chǎng)總線的作用，將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)說(shuō)得神乎其神。 什么一網(wǎng)到底、 透明網(wǎng)絡(luò)等等， 原有的現(xiàn)場(chǎng)總線派利用它們?cè)趪?guó)際標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先條件，首先將 IEC 61158 的總線系統(tǒng)擴(kuò)展到以太網(wǎng)領(lǐng)域， 既FF 總線發(fā)展成了 HSE， ControlNet 發(fā)展成EtherNet/IP， Profibus 和 Interbus 聯(lián)合發(fā)展成了ProfiNet，World-FIP 自動(dòng)地退出了歷史舞臺(tái)。而更多原來(lái)沒有搞現(xiàn)場(chǎng)總線， 或者沒有機(jī)會(huì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的， 也想通過(guò)開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接打入到工業(yè)通信的標(biāo)準(zhǔn)中去。如 Modbus-TCP，PowerLink， EtherCat 以及我國(guó)的 EPA 都成為了PAS 文件。

　　IEC 61158 演變?yōu)?IEC 61784-1

　　總線基金會(huì)FF 發(fā)展成 HSE

　　ControlNet 發(fā)展成 EtherNet/IP

　　Profibus和Interbus 發(fā)展成 ProfiNet

　　IEC 61784 不排除新的技術(shù)的加入

　　Modbus-TCP，PowerLink，EtherCat，EPA.。。（PAS）

　　事實(shí)證明現(xiàn)代自動(dòng)控制的發(fā)展是與現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)的， 無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)總線還是工業(yè)以太網(wǎng)都對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、 數(shù)字化、 智能化一體化起了決定性的作用。 因此縱觀上述的爭(zhēng)論是對(duì)我們?nèi)绾慰创I(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展有很大的啟示， 在爭(zhēng)論中我們需要對(duì)不同的工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)有所了解，并對(duì)他們作一相應(yīng)的比較， 從而明確未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的影響。下面對(duì)目前討論較多的幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作了略述。

　　１ 幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的簡(jiǎn)介

　　自從1999年以來(lái)市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少針對(duì)不同場(chǎng)合應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其最大的特點(diǎn)就是基于TCP-IP 的技術(shù)，同時(shí)又根據(jù)實(shí)踐的具體應(yīng)用的需要開發(fā)而成。

　?? 1.1 EtherCat（Ethernet for Automation Technology）

　　EtherCat是由德國(guó)自動(dòng)控制公司Beckhoff開發(fā)的， 并在 2003 年底成立了 ETG （Ethernet Technology Group） ，目前有 130 個(gè)成員。一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀， 進(jìn)行分析 （解密） 后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)模塊的通信方法進(jìn)行的， 而 EtherCat 的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已包含了網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)的傳輸采用移位同步的方法進(jìn)行，即在網(wǎng)絡(luò)的模塊中得到其相應(yīng)地址數(shù)據(jù)的同時(shí)，電報(bào)幀以傳送到下一個(gè)設(shè)備，相當(dāng)于電報(bào)幀通過(guò)一個(gè)模塊時(shí)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)， 馬上轉(zhuǎn)入下一個(gè)模塊。 由于這種電報(bào)幀的傳送從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備延遲時(shí)間僅為微秒級(jí)，所以與其它以太網(wǎng)解決方法相比， 性能比得到了提高。在網(wǎng)絡(luò)段的最后一個(gè)模塊結(jié)束了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎?形成了一個(gè)邏輯和物理環(huán)形結(jié)構(gòu)。所有傳輸數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)的協(xié)議相兼容， 工作于雙工傳輸，提高了傳輸?shù)男省Ｃ總€(gè)裝置又將這些以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的總線協(xié)議。

　　圖２是 EtherCat 的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議的結(jié)構(gòu)。

　　EtherCat 通過(guò)協(xié)議內(nèi)部的優(yōu)先權(quán)機(jī)制可區(qū)別傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)（Process Data）， 組態(tài)數(shù)據(jù)或參數(shù)的傳輸是在一個(gè)確定的時(shí)間段中通過(guò)一個(gè)專用的服務(wù)通道進(jìn)行（Acyclic Data）， EtherCat的操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能與傳輸?shù)?IP 協(xié)議兼容。

　　EtherCat 技術(shù)開發(fā)已經(jīng)完成，專門的 ASIC 芯片也在實(shí)現(xiàn)之中。 目前市場(chǎng)上已提供了從站控制器。EtherCat 的規(guī)范也成為 IECE1588 （IEC 61158） PAS文件。

　　1.2 EtherNet/IP

　　基于 Ethernet TCP 或 UCP-IP 的 Ethernet/IP是工業(yè)自動(dòng)通訊的一個(gè)擴(kuò)展，這里的 IP 表示為 Industrial-Protocal。在 2000 年底 ODVA 組織首先提出 Ethernet/IP 的概念， 以后SIG （Special Interest Groups）進(jìn)行了規(guī)范工作。ODVA 組織目前有300 多個(gè)成員， 并有自己的測(cè)試中心。

　　實(shí)際上， 所有的 Ethernet/IP 的 CIP （控制和信息協(xié)議） 已運(yùn)用在ControlNet和Devicenet 上了。 這里將這一方法移植到 Ethernet 的 TCP/IP 和 UCP/IP 的通道上來(lái)實(shí)現(xiàn)。 Ethernet/IP 的規(guī)范是公開的，并由 ODVA 組織提供，另外除了辦公環(huán)境上使用的

　　HFTP、FTP、JMTP、SNMP 的服務(wù)程序，Ethernet/IP還具有生產(chǎn)者/客戶服務(wù)，容許有時(shí)間要求的信息在控制器與現(xiàn)場(chǎng) I/O 模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。非周期性的信息數(shù)據(jù)的可靠傳輸 （如程序下載、 組態(tài)文件）采用 TEP 技術(shù)，而有時(shí)間要求和同期性控制數(shù)據(jù)的傳輸由 UCP 的堆棧來(lái)處理。為了減少 Ethernet/IP在各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互相間傳輸實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，Ethernet/IP預(yù)先規(guī)定了一些設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 如氣動(dòng)設(shè)備等不同類型的規(guī)定。

　　CIP協(xié)議目前進(jìn)行了以太網(wǎng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)性和安全總線的實(shí)施工作， 采用 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的分散式控制器同步機(jī)制的CIPsync和基于Ethernet/IP的技術(shù)結(jié)合安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)的CIPSafty安全控制都在開發(fā)之中，2005 年出現(xiàn) CIPSafty 的產(chǎn)品， 2006 年實(shí)現(xiàn)CIPsync的技術(shù)。

　　1.3 Ethernet PowerLink

　　最初，Ethernet PowerLink 是由奧地利Bernecher+Rainer 控制公司開發(fā)的， 在 2002 年 4 月公布了Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)之后， 與其它公司共同成立了 EPSG 協(xié)會(huì)，（Ethernet PowerlinkStandandization Group）。共同來(lái)推廣 EthernetPowerLink 的技術(shù)和應(yīng)用。其主要的成員有Hirschmann， Lenze， Kuka， Zuerich Univerisity等等。其主攻方面是同步驅(qū)動(dòng)和特殊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)要求。 比如基于 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的同步機(jī)制的技術(shù)等，將要實(shí)現(xiàn)。

　　在 Ethernet Powerlink 中， 以太網(wǎng)協(xié)議的常規(guī)的第三層 IP 第四層 TCP UCP 稱為 EthernetPowerlink 的棧，進(jìn)行非同步數(shù)據(jù)的傳輸，而對(duì)快速同期性數(shù)據(jù)傳輸建立一個(gè)所謂的數(shù)據(jù)傳輸棧，Ethernet Powerlink 棧完全控制了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交通（TRAFFIC）， 實(shí)際上是應(yīng)用等時(shí)（slot）通訊網(wǎng)絡(luò)管理（SCNM ）功能并提供了實(shí)時(shí)性，每個(gè)設(shè)備具有嚴(yán)格時(shí)間限制的通行權(quán)利，可以在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)交換每個(gè)時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)站可以獲取信息，這樣避免總線傳輸產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題，因此實(shí)現(xiàn)了傳輸時(shí)間確定，SCNM 的方法不僅能給 Isochron 數(shù)據(jù)提供不同的分時(shí)段， 而且也可給非同步數(shù)據(jù)傳輸提供公共的等分時(shí)段。

　　Powerlink的第二文本的通訊和設(shè)備描述繪是根據(jù) CanOpen 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，第三文本是根據(jù) IEEE 1588來(lái)完成同步機(jī)制。 目前 Ethernet Powerlink 已有產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。

　　1.4 Modbus/TCP

　　Modbus/TCP 在美國(guó)比較流行，它有兩部分組成，即 IDA（分散式控制系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)與 Modbus/TCP 的信息結(jié)構(gòu)的結(jié)合。Modbus/TCP 是 Modbus協(xié)議的分支，是由 Modicon 開發(fā)的。 1999 年公布了其規(guī)范， 開始用在以太網(wǎng)上， 2004 年開始， Modbus/TCP 成為 PAS 文件，Modbus/TCP 基于以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 技術(shù)，并直接安插在第四層的 TCP/UCP上。 它定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的開放式又廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)用于主從通訊方式，一個(gè)綜合的結(jié)構(gòu)的協(xié)議暫時(shí)沒有考慮?；?a href="http://ttokpm.com/v/tag/773/" target="_blank">工作原理是將傳輸電報(bào)幀嵌入于 TCP/IP 的下層的協(xié)議幀中。 在物理層中進(jìn)行傳輸。MODBUS 的幀包括了從站的地址，MODBUS功能碼和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， 這里控制碼沒有被應(yīng)用， 因?yàn)樾ｒ?yàn)功能已在下層 （1-4） 被執(zhí)行， 功能代碼表示必經(jīng)完成的從站的動(dòng)作， 習(xí)慣上一個(gè)從屬于MODBUS/TCP 的從站可用 MODBUS 功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　MODBUS/TCP 協(xié)議已被提高到 IETF（Internet Engineer Tast Force） 它將作為因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，這表示 MODBUS/TCP 也將與 FTP 一樣成為一個(gè)操作系統(tǒng)的一個(gè)共用部分，MOBDUS/TCP是最先基于以太網(wǎng)的以太網(wǎng)協(xié)議，所以在許多地方都得到了應(yīng)用。

　　1.5 PROFINET

　　PROFInet 是在 SIEMENS 公司的支持下由 PNO（Profibus Nutzer/User Organisation）開發(fā)而成的。它的第一文本僅僅是非時(shí)間要求通信的以太網(wǎng)接口的設(shè)備和通過(guò) PROXY 網(wǎng)關(guān)連結(jié)的實(shí)時(shí)性通信的PROFIBUS-DP 設(shè)備的結(jié)合體。從 2004 年開始開發(fā)與制定新的版本標(biāo)準(zhǔn)。提出了對(duì) IEEE 802.1D 和IEEE 1588進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展的技術(shù)方案， 并對(duì)不同實(shí)時(shí)要求的信息采用不同的軟件和硬件的實(shí)時(shí)傳輸方法。

　　圖６表示了 PROFInetV2 和 V3 的通信協(xié)議模型。

　　在第二版本中， PROFINET 提出了兩種工業(yè)以太網(wǎng)的通信機(jī)制， 如圖 6 的左邊所示，采用TCP/IP協(xié)議通道來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸， 比方用于設(shè)備參數(shù)化、 組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)的傳輸。 而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸是將 OSI 模型的第三層和第四層進(jìn)行旁路， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道， 傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在 RT 堆棧上，實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間的確定性。為了減少通信堆棧的訪問(wèn)時(shí)間， V2 版本對(duì)協(xié)議中傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度作了限制。因此在實(shí)時(shí)通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是用于現(xiàn)場(chǎng) I/O數(shù)據(jù)、 事件控制的信號(hào)與報(bào)警信號(hào)等。 為優(yōu)化通信功能，PROFINET 根據(jù) IEEE 802.1p 定義了報(bào)文的優(yōu)先權(quán)，規(guī)定了 7 級(jí)的優(yōu)先級(jí)。 其中最高級(jí)用于硬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。

　　PROFInet 的第三版本采用了 IRT （Isochronous RealTime）等時(shí)同步實(shí)時(shí)的 ASIC 芯片的硬件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具有數(shù)據(jù)同步傳輸功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間， 這樣一來(lái)， PROFInet 不僅能實(shí)現(xiàn) CBA 的數(shù)據(jù)通信， 同時(shí)應(yīng)用于快速的時(shí)鐘同步運(yùn)動(dòng)控制。

　　PROFInet 正在開發(fā)之中， 并有少量的設(shè)備和應(yīng)用事例。

　　2 小結(jié)：幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的比較

　　下面采用表格的形式對(duì)幾種工業(yè)以太網(wǎng)作一比較，作為本文的小結(jié)。