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(zhù)計算機、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(chǎng)、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)，因此，需要建立包含從工業(yè)現場(chǎng)設備層到控制層、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)為基礎的企業(yè)信息化系統。
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(guò)程，肩負著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)運行一線(xiàn)測量與控制信息傳輸的特殊任務(wù)，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運動(dòng)和轉換，因此它通常應滿(mǎn)足強實(shí)時(shí)性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境適應性、總線(xiàn)供電等特殊要求和特點(diǎn)。
在這種背景下，20世紀80年代產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，以全數字的通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，使得控制系統與現場(chǎng)儀表之間不僅能傳輸生產(chǎn)過(guò)程測量與控制信息，而且能夠傳輸現場(chǎng)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)品所面臨的體系結構和功能結構產(chǎn)生重大變革。
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中存在不足：
（1）現有的現場(chǎng)總線(xiàn)標準過(guò)多，僅國際標準IEC61158就包含了8個(gè)類(lèi)型，未能統一到單一標準上來(lái)；
（2）不同總線(xiàn)之間不能兼容，不能真正實(shí)現透明信息互訪(fǎng)，無(wú)法實(shí)現信息的無(wú)縫集成；
（3）由于現場(chǎng)總線(xiàn)是專(zhuān)用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )，成本較高；
（4）現場(chǎng)總線(xiàn)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(lái)講，工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產(chǎn)品設計時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。即滿(mǎn)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(dòng)、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)控制現場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
（3） 安全性
在易爆或可燃的場(chǎng)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(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò )也能穩定地工作的問(wèn)題，一些公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了導軌式收發(fā)器、集線(xiàn)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結構。另外一些公司還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)生了用于工業(yè)控制現場(chǎng)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、加固型光纖轉換器/中繼器等），可以用于工業(yè)以太網(wǎng)變送器、執行機構等。工業(yè)以太網(wǎng)設備與商用以太網(wǎng)設備之間的區別如附表所示。

附表 工業(yè)以太網(wǎng)設備與商用以太網(wǎng)設備之間的區別

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(fǎng)問(wèn)控制機制，而具有通信不確定性的特點(diǎn)，并一度成為它應用于現場(chǎng)總線(xiàn)的主要障礙。因此，僅僅通過(guò)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(méi)有能夠解決通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題。
為此，世界各大公司開(kāi)始研究基于以太網(wǎng)的通信確定性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通過(guò)了工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)際應用驗證。
2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場(chǎng)應用需求，制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規國際標準。根據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(mǎn)足實(shí)時(shí)行為：
實(shí)時(shí)性，即確定性通信；
現場(chǎng)設備之間的時(shí)間同步行為；
充分、頻繁的長(cháng)度較短的數據交換。
為此，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準首先需要解決實(shí)時(shí)通信問(wèn)題，同時(shí)，還需要定義應用層的服務(wù)與協(xié)議規范，以解決開(kāi)放系統之間的信息互通問(wèn)題。
標準制定過(guò)程中，IEC/SC65C/WG11收到了包括中國EPA在內的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(guò)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(lèi)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(jiǎn)介
目前現場(chǎng)總線(xiàn)體系中，基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議除了現場(chǎng)總線(xiàn)應用行規國際標準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(gè)新的提案。

4.1 HSE（High Speed Ethernet，高速以太網(wǎng)）
HSE是現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )在據棄了原有高速總線(xiàn)H2之后的新作。FF現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )明確將HSE定位于實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )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(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理系統。操作員在主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò )瀏覽器查看現場(chǎng)運行情況?，F場(chǎng)設備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò )獲得控制信息。
HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP，在應用層和用戶(hù)層直接采用FF H1的應用層服務(wù)和功能塊應用進(jìn)程規范，并通過(guò)鏈接設備（Linking Device）將FF H1網(wǎng)絡(luò )連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設備同時(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(lái)連接多個(gè)H1總線(xiàn)網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上面的H1設備之間能夠進(jìn)行對等通信而無(wú)需主機系統的干預。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(jìn)行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場(chǎng)設備，并接收來(lái)自現場(chǎng)設備的數據信息，實(shí)現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能塊或者“柔性功能塊”（FFB）中。