工業以太網關鍵技術和協議及其優勢

　　工業以太網是應用于工業控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網(即IEEE802.3標準)兼容。產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面能滿足工業現場的需要。

　　Ethernet過去被認為是一種“非確定性”的網絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發的，在工業控制領域只能得到有限應用，這是由于：

　　(1)Ethernet的介質訪問控制(MAC)層協議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業控制的實時性要求;

　　(2)Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境要求;

　　(3)在工廠環境中，Ethernet抗干擾(EMI)性能較差，若用于危險場合，以太網不具備本質安全性能;

　　(4)Ether-net不能通過信號線向現場設備供電問題。

　　隨著互聯網技術的發展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發展，上述問題在工業以太網中正在迅速得到解決。

　　Ethernet應用于工業現場的關鍵技術

　　(一)通信確定性與實時性

　　工業控制網絡不同于普通數據網絡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據準確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制的實時要求，故傳統以太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網絡。

　　工業以太網采取了以下措施使得該問題基本得到解決：

　　1.采用快速以太網加大網絡帶寬。

　　Ether-net的通信速率從10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降，從而提高其實時性。

　　2.采用全雙工交換式以太網。

　　用交換技術替代原有的總線型CSMA/CD技術，避免了由于多個站點共享并競爭信道導致發生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費，同時還可以實現全雙工通信，提高信道的利用率。

　　3.降低網絡負載。

　　工業控制網絡與商業控制網絡不同，每個結點傳送的實時數據量很少，一般為幾個位或幾個字節，而且突發性的大量數據傳輸也很少發生，因此可以通過限制網段站點數目，降低網絡流量，進一步提高網絡傳輸的實時性。

　　4.應用報文優先級技術。

　　在智能交換機或集線器中，通過設計報文的優先級來提高傳輸的實時性。

　　(二)安全性

　　在工業生產過程中，很多現場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應用于這些工業現場的智能裝置以及通信設備，都必須采取一定的防爆技術措施來保證工業現場的安全生產。

　　在目前技術條件下，對以太網系統采用隔爆、防爆的措施比較可行，即通過對Ethernet現場設備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現場設備本身的故障產生的點火能量不外泄，以保證系統運行的安全性。對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。

　　工業系統的網絡安全是工業以太網應用必須考慮的另一個安全性問題。工業以太網可以將企業傳統的三層網絡系統，即信息管理層、過程監控層、現場設備層，合成一體，使數據的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現數據的共享，提高工廠的運作效率。

　　但同時也引人了一系列的網絡安全向題，工業網絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。

　　一般情況下，可以采用網關或防火墻等對工業網絡與外部網絡進行隔離，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制加強網絡的安全管理。

　　(三)穩定性與可靠性

　　傳統的Ethernet并不是為工業應用而設計的，沒有考慮工業現場環境的適應性需要。由于工業現場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設備的工業可靠性提出了更高的要求。在工廠環境中，工業網絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。

　　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工作的問題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschmann,JetterAG等公司專門開發和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。

　　此外，在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以此提高網絡的抗干擾能力和可靠性。

　　(四)總線供電問題

　　總線供電(或稱總線饋電)是指連接到現場設備的線纜不僅傳輸數據信號，還能給現場設備提供工作電源。對于現場設備供電可以采取以下方法：

　　1.在目前以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范，將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離開來。

　　2.不改變目前物理層的結構，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供電源。

　　工業以太網協議

　　當以太網用于信息技術時，應用層包括HT-TP、FTP、SNMP等常用協議，但當它用于工業控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議，目前還沒有統一的應用層協議，但受到廣泛支持并已經開發出相應產品的有以下凡種主要協議。

　　(一)HSE

　　基金會現場總線FF于2000年發布Ethernet規范，稱HSE(HighSpeedEthernet)。HSE是以太網協議IEEE802.3，TCP/IP協議族與FFIll的結合體。FF現場總線基金會明確將HSE定位于實現控制網絡與Internet的集成。

　　HSE技術的一個核心部分就是鏈接設備，它是HSE體系結構將Hl(31.25kb/s)設備連接100Mb/s的HSE主干網的關鍵組成部分，同時也具有網橋和網關的功能。網橋功能能夠用于連接多個H1總線網段，使同H1網段上的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統的干涉;

　　網關功能允許將HSE網絡連接到其他的工廠控制網絡和信息網絡，HSE鏈接設備不需要為H1子系統作報文解釋，而是將來自H1總線網段的報文數據集合起來并且將Hl地址轉化為IP地址。

　　(二)Modbus TCP/IP

　　該協議由施耐德公司推出，以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網和TCP/IP結合，成為ModbusTCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應答，這種呼叫/應答的機制與Modbus的主/從機制相互配合，使交換式以太網具有很高的確定性，利用TCP/IP協議，通過網頁的形式可以使用戶界面更加友好。

　　利用網絡瀏覽器便查看企業網內部設備運行情況。施耐德公司已經為Mod-bus注冊了502端口，這樣就可以將實時數據嵌人到網頁中，通過在設備中嵌入Web服務器，就可以將Web瀏覽器作為設備的操作終端。

　　(三)Prof lNet

　　針對工業應用需求，德國西門子于2001年發布了該協議，它是將原有的Profibus與互聯網技術結合，形成了ProfiNet的網絡方案，主要包括：

　　(1)基于組件對象模型(COM)的分布式自動化系統;

　　(2)規定了ProfiNet現場總線和標準以太網之間的開放、透明通信;(3)提供了一個獨立于制造商，包括設備層和系統層的系統模型。

　　ProfiNet采用標準TCP/IP十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。

　　現有的Profibus網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到ProfiNet網絡當中，使整Profibus設備和協議能夠原封不動地在Pet中使用。傳統的Profibus設備可通過代理proxy與ProFiNET上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現COM對象間的調用。

　　(四)Ethernet/IP

　　Ethernet/IP是適合工業環境應用的協議體系。它是由ODVA(OpenDevicenetVendorsAsso-cation)和ControlNetInternational兩大工業組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet一樣，它們都是基于CIP(ControlandInformationProto-Col)協議的網絡。它是一種是面向對象的協議，能夠保證網絡上隱式(控制)的實時I/O信息和顯式信息(包括用于組態、參數設置、診斷等)的有效傳輸。

　　Ethernet/IP采用和Devicenet以及ControlNet相同的應用層協議CIP。因此，它們使用相同的對象庫和一致的行業規范，具有較好的一致性。Ethernet/IP采用標準的Ethernet和TCP/IP技術傳送CIP通信包，這樣通用且開放的應用層協議CIP加上已經被廣泛使用的Ethernet和TCP/IP協議，就構成Ethernet/IP協議的體系結構。

　　工業以太網的優勢

　　(一)應用廣泛

　　以太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，幾乎所有的編程語言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太網的應用開發。

　　(二)成本低廉

　　以太網網卡的價格較之現場總線網卡要便宜得多(約為1/10);另外，以太網已經應用多年，人們對以太網的設計、應用等方面有很多經驗，具有相當成熟的技術。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發和培訓費用，降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發和推廣速度。

　　(三)資源共享能力強

　　隨著Internet/Intranet的發展，以太網已滲透到各個角落，網絡上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯人互聯網的任何一臺計算機上就能瀏覽工業控制現場的數據，實現“控管一體化”，這是其他任何一種現場總線都無法比擬的。

　　(四)通信速率高

　　目前，10、100Mb/s的快速以太網已開始廣泛應用，1Gb/s以太網技術也逐漸成熟，而傳統的現場總線最高速率只有12Mb/s(如西門子Profibus-DP)。顯然，以太網的速率要高。