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杜品圣（1951－）博士，現任菲尼克斯亞太電氣(南京)有限公司研發(fā)技術總監(jiān)，中國自動化學會專家咨詢委員會委員。
2 工業(yè)以太網和工業(yè)實時以太網技術的特點
在90年代初期，與計算機技術俱日并進，基于TCP/IP的以太網技術也得到了高速的發(fā)展，大舉進入了辦公領域，許多IT領域的領頭企業(yè)，如微軟、蘋果、惠普、EPSON等等都采用了IEEE802.3的國際標準，開發(fā)了統(tǒng)一的與用戶無關的計算機與外部設備的通信協(xié)議和方法，如打印機、掃描機、數碼相機和傳真機等。隨著USB、藍牙的迅猛發(fā)展，以太網技術經過多年發(fā)展，特別是它在Internet中的廣泛應用，技術更為成熟，并得到了廣大開發(fā)商與用戶的認同。因此，無論從技術上還是產品價格上，以太網較之其它類型網絡技術都具有明顯的優(yōu)勢。基于以太網，TCP/IP的通信技術已成為標準化的辦公通訊技術，無論在商用和個人計算機都采用了這種通信方式。另外，隨著技術的發(fā)展，控制網絡與辦公領域的計算機網絡、Internet的聯(lián)系更為密切。控制網絡技術需要考慮與計算機網絡連接的一致性，需要提高對現場設備通信性能的要求，因此，基于以太網的通信技術在工業(yè)領域里，如制造生產業(yè)，設備制造商，工程設計方案都得到了廣泛的重視。采用以太網的通信技術可能帶來的經濟性、靈活性、高速性以及傳輸大量數據的功能，使得原來不少采用現場總線的控制網絡設備的開發(fā)者與制造商把目光漸漸的轉向以太網技術，從而形成了工業(yè)以太網的概念。可見，工業(yè)以太網是辦公領域以太網技術在控制網絡延伸的產物。但是，前者源于后者又不同于后者。簡單地人們是否能將辦公領域以太網技術直接用于工業(yè)控制系統(tǒng)中去呢？回答當然是不行了。但是人們認為辦公領域以太網技術直接用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的主要原因僅僅在于工作環(huán)境的不同。如果我們在工業(yè)以太網技術與商用以太網（IEEE802.3標準）兼容的前提下，在產品設計時，在材質的選用、產品的強度和適用性方面能滿足工業(yè)現場的需要，即在環(huán)境適應性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現場的需要的話，自然而然改進性的商用以太網的模快就能滿足了工業(yè)以太網的要求。因此，一時間，出現了大量的“工業(yè)以太網模快”的制造商。其不同價格的幅度大于好幾倍，這給實際使用者在挑選合適的工業(yè)以太網模快，構成所需要的工業(yè)以太網網絡帶來了不少的困難。是選價格便宜的呢，還是性能高的模快呢，如何按照實際需要構成一個工業(yè)以太網呢？非常遺憾的是，在我們對辦公以太網與工業(yè)以太網真正區(qū)別還模糊不清的時候， 一個所謂“工業(yè)實時以太網”新的概念又引起了學術界的廣泛的討論，又產生了工業(yè)以太網和工業(yè)實時以太網的模糊概念，許多人認為工業(yè)以太網就是工業(yè)實時以太網。這些概念上的混淆大大影響了以太網技術在工業(yè)領域的推廣和應用。現場應用的大量實際問題，如安裝，調試和診斷技術，系統(tǒng)的可靠性，安全性和診斷的可能性，時間需求的確定性等等得不到保證。因此，我們認為掌握以太網，工業(yè)以太網和工業(yè)實時以太網技術的區(qū)別和特點是在工業(yè)領域正確應用以太網的前提。
實際上，為了促進以太網在工業(yè)領域的應用，本世紀初，國際上成立了工業(yè)以太網協(xié)會（Industrial Ethernet Association，IEA），工業(yè)自動化開放網絡聯(lián)盟（Industrial Automation Open Network Alliance，IAONA）等組織（其中，IAONA組織因缺乏資金已于2006年6月自行解散了），目標是在世界范圍內推進工業(yè)以太網技術的發(fā)展、教育和標準化管理，在工業(yè)應用領域的各個層面應用以太網。美國電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）也正著手制定現場裝置與以太網通信的標準。這些組織還致力于促進以太網進入工業(yè)自動化的現場級，推動以太網技術在工業(yè)自動化領域和嵌入式系統(tǒng)中的應用。可見，以太網進入工業(yè)自動化領域已成為不可阻擋的潮流，下面將大致地介紹一下以太網，工業(yè)以太網和工業(yè)實時以太網之間的區(qū)別，以為使用者帶來些方便。
2.1 工業(yè)以太網的特點及其與以太網的區(qū)別
對于工業(yè)以太網和與以太網之間的區(qū)別問題，實際上目前已由不少文章作了分析，但是往往從工作環(huán)境的角度講的比較多一些。我們認為工業(yè)以太網和商用以太網的最主要的區(qū)別是應用場合和應用對象的不同，其主要的區(qū)別可以歸納為下面幾點：
* 在一定的場合，通信系統(tǒng)中信息交換必須滿足傳輸速度和確定性的要求；
* 工業(yè)以太網必須保證更高的通信系統(tǒng)中穩(wěn)定性，可靠性，安全性和保密性；
圖1 工業(yè)以太網的特殊要求
綜合上面的幾點，比較以太網技術在辦公和工業(yè)不同環(huán)境下工作的不同點，從上面的對比可以看到，工業(yè)以太網源于商用以太網，但是真正要將以太網技術成功地應用工業(yè)領域，必須考慮以下不同之點。通過分析此不同點以后，才能找到能夠符合工業(yè)工程項目的工業(yè)以太網網絡方案。
圖2辦公領域以太網網絡的構成
由于工業(yè)以太網與辦公以太網網絡的應用對象的不同，產生了各種特定的要求，在辦公領域的通信系統(tǒng)中，其網絡的構成主要是各種計算機之間的通信，由此產生計算機與外部設備的數據交換的通訊網絡，如計算機與服務器，計算機與網絡打印機，計算機與網絡掃描機，計算機與其他網絡相連的外圍設備以及與因特網的通信。這樣的通信系統(tǒng)如圖2所示。
因此，辦公領域以太網網絡的通信主要是兩者之間的通信，所采用的基本方法是Client/server（客戶機/服務器)機制。客戶是通信的主導者，它發(fā)送服務請求，如從服務方下載文件)，或啟動一個命令打印某個文件或要求某個服務方存儲數據等。這些數據處理和交換一般都可以采用通用的因特網的協(xié)議，如FTP，HTTP，SNMP，DHCP或者其他基于客戶/服務通信的傳輸方法。這些傳輸的數據量一般在數十個千字節(jié)到幾百兆。
在工業(yè)應用場合中，構成一個通信網絡的組成部分是非常復雜的。除了需要計算機外，更主要的必須與各種不同類型的控制器（PLC，CNC，IPC），不同類型的變送器（如壓力，溫度，液位，紅外線，位移等變送器），不同類型的執(zhí)行器（如變頻器，直流調節(jié)系統(tǒng)，機器人控制系統(tǒng)，現場總線I/O系統(tǒng)人機界面）同時連接于因特網，通過WEB技術進行遠程監(jiān)控等。
因此，前面所提及的用于辦公領域以太網網絡的協(xié)議將遠遠滿足不了工業(yè)以太網的要求，目前，人們正在改進原來的通信協(xié)議，已有數種發(fā)展成為了國際的新的工業(yè)以太網的協(xié)議，如PROFINET，EtherNet/IP，Modbus TCP，Ethernet Powerlink，SERCOS III 和EtherCat。這些通信協(xié)議都能部分地滿足不同控制領域和應用的要求，關鍵是協(xié)議改變了Client/server（客戶/服務）機制，采用了publish-subscribe和producer-consumer通信機制，使得辦公以太網點對點的協(xié)議方法變?yōu)槎帱c通信方法，而數據量也可從PLC控制系統(tǒng)與現場總線之間幾個字節(jié)的傳輸到CNC控制系統(tǒng)與現場驅動系統(tǒng)數兆字節(jié)的傳輸。
工業(yè)以太網與辦公以太網的一個明顯的區(qū)別是對于傳輸時間的要求，相對于辦公以太網來講，一般來講，對時間的要求比較寬裕，一個PDF的文件傳輸晚幾分鐘，因特網上網時間晚了些問題都不大。所有時間的要求都是相對的，同時也不會因為時間的緣故產生人身安全和設備損壞問題。與此相反，以太網應用于工業(yè)應用領域則必須考慮這些問題，例如，一個現場信號在什么時間內控制器能夠得到；控制器的命令發(fā)出通知后，什么時間內現場執(zhí)行機構能夠進行工作。不同的應用需要不同的響應和執(zhí)行時間，這可以是數秒（過程控制）或者微秒級。在工業(yè)應用現場中，往往會由于幾微秒的延遲而引起重大的事故，例如，一個高速位置控制系統(tǒng)，由于在通信中丟失了數次現場傳送器的反饋信號，而超越限定極限位置，產生重大事故；由于不能及時得到紙漿厚度的測量信號，使得造紙機生產的紙張厚薄不均，影響了產品的質量。這些事件的發(fā)生僅僅在數毫秒內，如果不能及時得到現場監(jiān)視信息，將會給生產或人身安全帶了不可估量的后果。在工業(yè)領域的某些應用中，所要求的數據傳輸持續(xù)時間中的抖動（JITTER）值非常小（微秒級）。因此，構成工業(yè)以太網網絡的通信技術必須更快速，更具有傳輸的確定性，這是辦公用的以太網技術所不能實現的。
圖3 用于工業(yè)領域的以太網網絡的構成
辦公以太網和工業(yè)以太網應用環(huán)境不同，導致了對其可靠性、穩(wěn)定性和安全性有不同的要求。辦公以太網是為辦公自動化領域應用而設計的，并沒有考慮工業(yè)現場環(huán)境的需要（如冗余電源供電直流、高溫、低溫、防塵等），故商用網絡產品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現場環(huán)境中。
隨著網絡技術的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網絡也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Phoenix Contact、Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)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。而在IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網可采用光纜傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對重要的網段還可采用冗余網絡技術，以提高網絡的抗干擾能力和可靠性。
在工業(yè)生產過程中，很多場合不可避免地存在易燃、易爆或有毒的氣體，對應用于這些場合的設備，都必須采用一定的防爆措施來保證工業(yè)現場的安全生產。現場設備的防爆技術包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密和澆封等）和本質安全型。與隔爆技術相比較，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，其關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由于目前以太網收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在60~70mA（5V工作電源），低功耗的以太網現場設備設計難以設計，因此，在目前技術條件下，對以太網系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行，確保現場設備本身的故障產生的點火能量不外泄，保證運行的安全性。而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。
另外，工業(yè)以太網實現了與Internet的無縫集成，實現了工廠信息的垂直集成，但同時也帶來了一系列的網絡安全問題，包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅問題，對此，一般可采用網關或防火墻等方法，將內部控制網絡與外部信息網絡系統(tǒng)相隔離，另外，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制來加強網絡的安全管理。
2.2 工業(yè)實時以太網的特點和與工業(yè)以太網的區(qū)別
2.2.1 工業(yè)控制的實時性要求
工業(yè)控制網絡對實時性是有要求的，各級子網對實時性的要求不同，通常越靠底層的子網對實時性要求越高，越靠近上層的子網對實時性的要求越低。實時性通常采用響應時間來定量描述。響應時間是指某一系統(tǒng)對輸入作出響應所需的時間，以ms、s、min，h為計量單位。響應時間很短，就標志著系統(tǒng)的實時性越好。
對于工業(yè)自動化系統(tǒng)來說，目前根據不同的應用場合，將實時性要求劃分為3個范圍，它們是：信息集成和較低要求的過程自動化應用場合，實時響應時間要求是100ms或更長；絕大多數的工廠自動化應用場合實時響應時間的要求最少為5~10ms；對于高性能的同步運動控制應用，特別是在100個節(jié)點下的伺服運動控制應用場合，實時響應時間要求低于1ms，同步傳送和抖動小于1μs。工業(yè)控制網絡的實時性還規(guī)定了許多技術指標，如交付時間、吞吐量、時間同步、時間同步精度、以及冗余恢復時間等。
2.2.2 工業(yè)以太網的通信確定性
通常，人們習慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網統(tǒng)稱為工業(yè)以太網。但是，如果仔細劃分，按照國際電工委員會SC65C的定義，工業(yè)以太網是用于工業(yè)自動化環(huán)境、符合IEEE802.3標準、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制（MAC）網橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網虛擬網橋”規(guī)范、對其沒有進行任何實時擴展而實現的以太網。
工業(yè)控制網絡必須滿足對實時性的要求（即信號傳輸要足夠地快）以及信號的確定性。Ethernet過去一直被認為是為IT領域而開發(fā)的，Ethernet采用了帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）以及二進制指數退避算法，它被認為是一種非確定性的網絡系統(tǒng)。對于響應時間要求嚴格的控制過程會存在產生沖突的可能性，造成響應時間不確定，使信息不能按要求正常傳遞，這是阻礙以太網應用于工業(yè)現場設備層的關鍵所在。
隨著快速以太網與交換式以太網的發(fā)展，為解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，并使這一應用成為可能。主要表現在：
首先，Ethernet的通信速率一再提高，從10M、100M增大到如今的1000M、10G，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，網絡碰撞幾率大大下降，提高了網絡的確定性。
其次，采用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。交換機之間通過主干網絡進行連接。交換機可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節(jié)點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，使本地數據傳輸不占其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。
最后，采用全雙工通信方式。在一個用5類雙絞線（光纜）連接的全雙工交換式以太網中，其中一對線用來發(fā)送數據，另一對線用來接收數據，這樣交換式全雙工以太網消除了沖突的可能，使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。
2.2.3 實時工業(yè)以太網
到目前為止，可以將工業(yè)以太網的實時響應時間做到5~10ms，相當于現有的現場總線。對于響應時間小于5ms的應用，工業(yè)以太網已不能勝任。為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網實時性的技術解決方案。2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應實時以太網市場應用需求，制定實時以太網應用行規(guī)國際標準。根據IEC/SC65C/WG11定義，所謂實時以太網RTE(Real-time Ethernet)，是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關網絡組件或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；
— 現場設備之間的時間同步行為；
— 充分、頻繁的長度較短的數據交換。
為此，實時以太網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。
在IEC/SC65C/WG11工作組負責制定的IEC61784-2“基于ISO/IEC 8802-3的實時應用系統(tǒng)中工業(yè)通信網絡行規(guī)”國際標準中包括CPF2 Ethernet/IP、CPF3 PROFINET、CPF4 P-NET、CPF6 Interbus、CPF10 VNET/IP、CPF11 TCNET、CPF12 EtherCAT、CPF13 Ethernet Powerlink、CPF14 EPA、CPF15 Modbus/TCP以及CPF16 SERCOS等11種實時以太網行規(guī)集。
（1） 實時以太網通信模型
根據實時以太網實時擴展的不同技術方案，可將實時以太網通信協(xié)議模型分為4類，如圖4所示。其中（a）是經過常規(guī)最大努力提高實時性，一般工業(yè)以太網的通信協(xié)議模型；（b）采用在TCP/IP之上進行實時數據交換方案；（c）采用經優(yōu)化處理和提供旁路實時通道的通信協(xié)議模型；（d）采用集中調度提高實時性的解決方案；（e）采用類似Interbus現場總線“集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓撲結構提升以太網實時性能。
實時以太網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)之間的互操作問題。互操作性是指連接在同一網絡上不同廠家的設備之間通過統(tǒng)一的應用層協(xié)議可以進行通信與互用，性能類似的設備可以實現互換，這是開放系統(tǒng)的特點之一。一般存在著這樣的誤解，即只要采用了工業(yè)以太網就能實現設備的互操作，事實并非如此。以太網僅僅映射到ISO/OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層，而在其之上的網絡層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP（UDP）/IP協(xié)議為主。由于不存在統(tǒng)一的應用層協(xié)議，以太網設備中的應用程序是專用的，而不是開放的，因此設備還不能實現透明互訪。要解決這一問題，就必須在Ethernet+TCP（UDP）/IP協(xié)議之上，制定統(tǒng)一并適用于工業(yè)現場控制的應用層技術規(guī)范，同時也可參考IEC相關標準，在應用層上增加用戶層。
作者信息：
杜品圣，張 龍（菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號