工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)協(xié)議剖析
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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，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?，F(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、物理介質和星形拓撲結構，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EPA設備間的通信被限制在本控制區(qū)域內進行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。
處于不同微網(wǎng)段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網(wǎng)橋進行轉發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個EPA接口，當它需要轉發(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，以確認是否需要轉發(fā)，并確定報文轉發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉發(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。
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。它定義了一個結構簡單的、開放和廣泛應用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。
IDA結構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。
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