摘　要：分析了工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)技術特點，介紹了IEC國際標準體系中的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。 關鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) 實時以太網(wǎng) 國際標準 1 引言 隨著計算機、通信、網(wǎng)絡等信息技術的發(fā)展，信息交換的領域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場，因此，需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網(wǎng)絡平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡技術為基礎的企業(yè)信息化系統(tǒng)。 工業(yè)控制網(wǎng)絡作為一種特殊的網(wǎng)絡，直接面向生產(chǎn)過程，肩負著工業(yè)生產(chǎn)運行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運動和轉(zhuǎn)換，因此它通常應滿足強實時性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)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(chǎn)生和發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術，以全數(shù)字的通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，使得控制系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表之間不僅能傳輸生產(chǎn)過程測量與控制信息，而且能夠傳輸現(xiàn)場儀表的大量非控制信息，使得工業(yè)企業(yè)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(chǎn)品所面臨的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。 現(xiàn)場總線技術在其發(fā)展過程中存在不足： （1） 現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準過多，僅國際標準IEC61158就包含了8個類型，未能統(tǒng)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(xiàn)透明信息互訪，無法實現(xiàn)信息的無縫集成; （3） 由于現(xiàn)場總線是專用實時通信網(wǎng)絡，成本較高; （4） 現(xiàn)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(yè)以太網(wǎng) 什么是工業(yè)以太網(wǎng)？一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)在技術上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產(chǎn)品設計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。即滿足以下要求： （1） 環(huán)境適應性 包括機械環(huán)境適應性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環(huán)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(huán)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(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品要適應工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。 （3） 安全性 在易爆或可燃的場合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全兩種方式。 （4） 安裝方便，適應工業(yè)環(huán)境的安裝要求。 為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定地工作的問題，一些公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導軌式收發(fā)器、集線器和交換機系列產(chǎn)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(jié)構(gòu)。另外一些公司還專門開發(fā)和產(chǎn)生了用于工業(yè)控制現(xiàn)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(yè)以太網(wǎng)交換機、加固型光纖轉(zhuǎn)換器/中繼器等），可以用于工業(yè)以太網(wǎng)變送器、執(zhí)行機構(gòu)等。工業(yè)以太網(wǎng)設備與商用以太網(wǎng)設備之間的區(qū)別如附表所示。 3 實時以太網(wǎng) 眾所周知，以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD的介質(zhì)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(xiàn)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(wǎng)設備應用的可靠性和環(huán)境適應性，工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)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(yè)現(xiàn)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(wǎng)市場應用需求，制定實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準。根據(jù)IEC/SC65C/WG11定義，所謂實時以太網(wǎng)RTE（Real-time Ethernet），是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關網(wǎng)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(xiàn)場設備之間的時間同步行為; 充分、頻繁的長度較短的數(shù)據(jù)交換。 為此，實時以太網(wǎng)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(xié)議規(guī)范，以解決開放系統(tǒng)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(nèi)的6個新的實時以太網(wǎng)提案，這些提案均具有一定的特色。最后，在經(jīng)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(wǎng)協(xié)議作為公共可用規(guī)范PAS（Publicly Available Specification）予以發(fā)布，2007年IEC61158修訂時，再考慮將這些PAS引入IEC61158。 4 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議簡介 目前現(xiàn)場總線體系中，基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議除了現(xiàn)場總線應用行規(guī)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(wǎng)） HSE是現(xiàn)場總線基金會在據(jù)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定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。由HSE鏈接設備將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)絡瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況?，F(xiàn)場設備同樣也可以從網(wǎng)絡獲得控制信息。 HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+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(guī)范，并通過鏈接設備（Linking Device）將FF H1網(wǎng)絡連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設備同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關的功能，它的網(wǎng)橋功能能夠用來連接多個H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上面的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統(tǒng)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(shù)據(jù)能傳送到遠程的現(xiàn)場設備，并接收來自現(xiàn)場設備的數(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)可直接映射到標準功能塊或者“柔性功能塊”（FFB）中。 4.2 Profinet Profinet由Siemens 開發(fā)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(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標準TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設備。現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設備（proxy）連接到Profinet網(wǎng)絡當中，使整套Profibus設備和協(xié)議能夠原封不動地在Profinet中使用。傳統(tǒng)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(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。它將以太網(wǎng)應用于非時間關鍵的通信，用于高層設備和Profibus-DP現(xiàn)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(wǎng)上開辟了兩個通道：標準的使用TCP/IP協(xié)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(xié)議減少了數(shù)據(jù)長度，以減小通信棧的吞吐量。為優(yōu)化通信功能，Profinet根據(jù)IEEE 802.p定義了報文的優(yōu)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(wǎng)交換機，Profinet第三版還開始解決基于IEEE 1588同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\動控制解決方案。 4.3 Ethernet/IP Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）由ROCKWELL定義，并由ODVA和ControlNet International支持。EtherNet/IP網(wǎng)絡采用商業(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)各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商業(yè)產(chǎn)品，Ethernet/IP協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP（Control Information Protocol）等三個部分組成，前面兩部分為標準以太網(wǎng)技術，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性，采用了ControlNet和Devicenet控制網(wǎng)絡中相同的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。 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(lián)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(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域即為一個微網(wǎng)段。每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進行分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。 處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個EPA接口，當它需要轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)，并確定報文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，而不會發(fā)生采用一般交換機所出現(xiàn)的廣播風爆。 而連接在每個微網(wǎng)段的EPA設備，通過其內(nèi)置的通信棧軟件，分時向網(wǎng)絡上發(fā)送報文，以避免兩個設備在同一時刻向網(wǎng)絡上同時發(fā)送數(shù)據(jù)，避免報文碰撞，用戶可以預知其發(fā)出的信息在可預知的時間內(nèi)到達目的站點。 EPA系統(tǒng)中，支持IEEE 1588的時間同步，還支持標準以太網(wǎng)幀與EPA實時以太網(wǎng)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(fā)，并由EtherCAT技術組（EtherCAT Technology Group，ETG）支持。它采用以太網(wǎng)幀，并以特定的環(huán)狀拓撲發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡上的每一個站均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關的數(shù)據(jù)，或并插入該站本身特定的輸入/輸出數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡內(nèi)的最后一個模塊向第一個模塊發(fā)送一個幀以形成和創(chuàng)建一個物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過內(nèi)部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實時以太網(wǎng)幀比其他的數(shù)據(jù)（如組態(tài)或診斷數(shù)據(jù)，等）具有較高的優(yōu)先級。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實時數(shù)據(jù)的間隙（如間隙時間足夠傳輸?shù)脑挘┲袀鬏?，或者通過特定的通道傳輸。EtherCAT還保留標準以太網(wǎng)功能，并與傳統(tǒng)IP協(xié)議兼容。為了實現(xiàn)這樣的裝置，需要專用ASIC芯片，以集成至少兩個以太網(wǎng)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(fā)，并由Ethernet Powerlink標準化組（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。 Powerlink協(xié)議對第三、四層的TCP（UDP）/IP棧進行了擴展。它在共享式以太網(wǎng)網(wǎng)段上采用槽時間通信網(wǎng)絡管理（Slot Communication Network Management，SCNM）中間件控制網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)流量。SCNM采用主從調(diào)度方式，每個站只有在收到主站請求的情況下，才能發(fā)送實時數(shù)據(jù)。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(guī)。 4.7 VNET/IP VNET/IP由日本橫河Yokogawa開發(fā)，該協(xié)議的實時擴展是實時可靠數(shù)據(jù)報協(xié)議（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在傳輸層采用UDP協(xié)議，但在IP棧協(xié)議層進行了優(yōu)化以實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)。 4.8 TCnet TCnet是由日本東芝Toshiba開發(fā)的，它在MAC進行了實時擴展，并基于標準以太網(wǎng)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(wǎng)絡上應用Modbus協(xié)議。其實時擴展采用了在UDP上的實時發(fā)布者預訂者（Real-time Publisher Subscriber，RTPS）。 Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太網(wǎng)和標準TCP/IP協(xié)議，直接應用第四層。它定義了一個結(jié)構(gòu)簡單的、開放和廣泛應用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。 IDA結(jié)構(gòu)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(xiàn)。中間件包含了標準的Modbus/TCP協(xié)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(jié)束語 從工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展形勢看，盡管各種工業(yè)以太網(wǎng)技術可能會像現(xiàn)場總線國際之爭那樣，出現(xiàn)多協(xié)議并存局面，但國際上已形成基本一致看法，工業(yè)自動化技術發(fā)展不可能離開國際主流信息技術發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用必將越來越廣。在實時以太網(wǎng)技術為基礎上，IT領域中很多主流技術必將對工業(yè)控制技術的發(fā)展起到推動作用。