工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議剖析

1、引 言
隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)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(shè)備層到控制層、管理層等各個(gè)層次的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過程，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，因此它通常應(yīng)滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性、總線供電等特殊要求和特點(diǎn)。
在這種背景下，20世紀(jì)80年代產(chǎn)生和發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)，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(dòng)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(shù)在其發(fā)展過程中存在不足：
（1）現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)過多，僅國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158就包含了8個(gè)類型，未能統(tǒng)一到單一標(biāo)準(zhǔn)上來；
（2）不同總線之間不能兼容，不能真正實(shí)現(xiàn)透明信息互訪，無法實(shí)現(xiàn)信息的無縫集成；
（3）由于現(xiàn)場總線是專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，成本較高；
（4）現(xiàn)場總線的速度較低，支持的應(yīng)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(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(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)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(yīng)性
包括機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（如耐振動(dòng)、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應(yīng)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(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN 50081-2、EN 50082-2標(biāo)準(zhǔn)。
（2） 可靠性
工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品要適應(yīng)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(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求。
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)定地工作的問題，一些公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器和交換機(jī)系列產(chǎn)品，安裝在標(biāo)淮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)。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(jī)、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(jī)構(gòu)等。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與商用以太網(wǎng)設(shè)備之間的區(qū)別如附表所示。

附表 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與商用以太網(wǎng)設(shè)備之間的區(qū)別

3、實(shí)時(shí)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(jī)制，而具有通信不確定性的特點(diǎn)，并一度成為它應(yīng)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(shè)備應(yīng)用的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，工業(yè)以太網(wǎng)仍然沒有能夠解決通信實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。
2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應(yīng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場應(yīng)用需求，制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)IEC/SC65C/WG11定義，所謂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE（Real-time Ethernet），是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組件或IEC1588的總體行為，但可以在一定程度上進(jìn)行修改，使之滿足實(shí)時(shí)行為：
實(shí)時(shí)性，即確定性通信；
現(xiàn)場設(shè)備之間的時(shí)間同步行為；
充分、頻繁的長度較短的數(shù)據(jù)交換。
為此，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)首先需要解決實(shí)時(shí)通信問題，同時(shí)，還需要定義應(yīng)用層的服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)制定過程中，IEC/SC65C/WG11收到了包括中國EPA在內(nèi)的6個(gè)新的實(shí)時(shí)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(rèn)真討論，并基于IEC/SC65C于2002年所作的“2007年前不再向IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中增加新的類型”的決定，工作組一致同意將新的實(shí)時(shí)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(shí)，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(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(huì)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(huì)明確將HSE定位于實(shí)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，它的網(wǎng)橋功能能夠用來連接多個(gè)H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上面的H1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對等通信而無需主機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機(jī)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(jìn)行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)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。