什么是工業(yè)以太網(wǎng)？

　　一 在應用層中的進(jìn)展 　　 　　

　　1. 封裝 　　

　　眾所周知，以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個(gè)共享的構架。構架包括物理介質(zhì)、幀格式和LAN設備數據的尋址格式，即它只提供物理層和數據鏈路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)、TCP或UDP協(xié)議(層四)，當以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，第七層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)、FTP (文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠程登錄)等。但當它用于工業(yè)控制時(shí)，體現在第七層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議。對這些不同的概念進(jìn)行組裝稱(chēng)為“封裝”(Encapsulation)。TCP/IP支持基于異種操作系統的異種網(wǎng)絡(luò )間的互聯(lián)，它是真正的開(kāi)放系統通信協(xié)議，已成為目前國際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的事實(shí)上的標準。

　　“封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開(kāi)發(fā)的Ethernet/IP、FF開(kāi)發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))、Schneider Electric開(kāi)發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數據在發(fā)送到以太網(wǎng)以前，現場(chǎng)總線(xiàn)報文基本上沒(méi)有什么變化并作為“用戶(hù)數據”嵌入到TCP/IP幀內，很容易向下兼容到基于以上總線(xiàn)的協(xié)議。

　　Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息協(xié)議)。

　　CIP通過(guò)“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數據和控制設備的寬范圍的服務(wù)。

　　在發(fā)送CIP數據包以前必須對其進(jìn)行封裝，CIP數據包給定一個(gè)報文首部(header)，該首部的內容取決于所請求的服務(wù)屬性。
　　通過(guò)以太網(wǎng)連接的CIP數據包包括一個(gè)專(zhuān)用的以太網(wǎng)首部、一個(gè)IP首部、一個(gè)TCP首部和一個(gè)封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令、格式、狀態(tài)信息和同步數據等，這允許CIP數據能通過(guò)TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)行解碼。

　　Schneider Electric推出的“透明工廠(chǎng)”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協(xié)議的Modbus TCP/IP的模塊應用于Memetum PLC。Modbus TCP已成為半導體工業(yè)的標準EMIE54.9-2000。

　　FF的HSE是高效地映像到UDP (用戶(hù)數據報文協(xié)議，一個(gè)被認為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議，其首部比TCP首部短而簡(jiǎn)單，只需8個(gè)字節，而TCP為長(cháng)度可變的40個(gè)字節)的一個(gè)最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議，為IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的類(lèi)型5。

　　另一種解決方案是在現場(chǎng)總線(xiàn)的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報文分割為若干個(gè)小型數據包并封裝在Interbus的參數通道進(jìn)行傳輸，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數據包將在接收方重新裝配從而恢復為原來(lái)的TCP/IP報文。

　　封裝方案的缺點(diǎn)是協(xié)議的效率低，以太網(wǎng)的首部比用戶(hù)數據大得多，從而大幅度地增加開(kāi)銷(xiāo)，因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數據信息。

　　2. 代理服務(wù)器 　　

　　代理服務(wù)器(Proxy)類(lèi)似于對兩個(gè)不同通信協(xié)議進(jìn)行轉換的網(wǎng)關(guān)(Gate-way)，但其功能要比后者強得多。代理服務(wù)器的主要目標是將標準現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，其主要優(yōu)點(diǎn)是現有的現場(chǎng)總線(xiàn)設備在今后仍能長(cháng)期使用，從而保護用戶(hù)的投資。支持這種觀(guān)點(diǎn)的是由Profibus國際組織發(fā)布的Profinet，它包含兩個(gè)概念，即開(kāi)放的、面向對象的運行期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念。運行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(運程程序調用)和DCOM，并對這些基本機制進(jìn)行加強和優(yōu)化，因而它適合于高實(shí)時(shí)性能要求的應用領(lǐng)域。工程概念包括建立工程對象模型，它不僅使用戶(hù)能通過(guò)不同制造商的組態(tài)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應用專(zhuān)用的擴展功能，因此支持在單個(gè)工廠(chǎng)范圍集成不同制造商的產(chǎn)品。

　　3. 實(shí)時(shí)通信系統 　　

　　IDA(InteRFace for Distributed Automation，用于分布式自動(dòng)化的接口)采用美國California公司開(kāi)發(fā)的位于第四層的NDDS實(shí)時(shí)通信系統，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬范圍強有力的應用服務(wù)。IDA的另一個(gè)重要特性是基于Web的設備管理。所有現場(chǎng)設備均有其本身的Web頁(yè)面，包括組態(tài)、操作和診斷參數，用戶(hù)可通過(guò)標準的瀏覽器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)?；赬ML的設備描述簡(jiǎn)化了系統的組態(tài)，并支持設備的互操作性和互換性。IDA位于工業(yè)以太網(wǎng)的第七層，它還定義從第四層到第七層和應用接口(API)之間的通信，甚至還包括應用程序的標準編程接口。IDA集團在2001年的德國漢諾威博覽會(huì )上公布了其技術(shù)規范。

　　二 嵌入以太網(wǎng)的I/O 　　 　　

　　早在1998年，Foxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動(dòng)化系統中的以太網(wǎng)I/O用于德國B(niǎo)ayer AG公司的氯堿分廠(chǎng)，以太網(wǎng)將所有現場(chǎng)設備、控制器和PC機工作站集成為一個(gè)高可靠、低成本的實(shí)時(shí)控制的信息網(wǎng)絡(luò )。近年來(lái)，一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，舉例如下：

　　(1)Opto 22從1998年第四季度起開(kāi)始提供以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，并不斷擴展和改進(jìn)其產(chǎn)品，如開(kāi)發(fā)符合802.11和802.11b的無(wú)線(xiàn)電訪(fǎng)問(wèn)以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品；
　　(2)National Instruments的Field Point I/O能提供現場(chǎng)設備到以太網(wǎng)的鏈接；
　　(3)SixNet提供嵌入以太網(wǎng)芯片的I/O模塊；
　　(4)Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品；
　　(5)Automation direct.com和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網(wǎng)I/O新產(chǎn)品已面市；
　　(6)GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動(dòng)化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的鏈接；
　　(7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品，聲稱(chēng)是使傳統的自動(dòng)化控制器能訪(fǎng)問(wèn)以太網(wǎng)的基礎結構；
　　(8)Action公司的子公司Busware公布以太網(wǎng)的E系列I/O模塊。

　　此外，現在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現場(chǎng)總線(xiàn)設備問(wèn)世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內裝有Web服務(wù)器的第三方控制器。通過(guò)該控制器，還可遠程存取Altivar 58變頻器的各種數據。
　　三 網(wǎng)絡(luò )就是控制器 　　 　　

　　德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動(dòng)化系統立意新穎，它是基于100Mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統，宣稱(chēng)“網(wǎng)絡(luò )就是控制器”的觀(guān)點(diǎn)。其特點(diǎn)是：(1)類(lèi)似Internet的結構，對數據的實(shí)時(shí)傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò )的層次結構；(2)對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只有一組數據和一個(gè)程序，所有數據在網(wǎng)絡(luò )中只需表達一次，程序和數據均可以重復使用，網(wǎng)絡(luò )扮演真正服務(wù)器的作用；(3)從傳感器到工廠(chǎng)管理層，只有一條以太網(wǎng)總線(xiàn)進(jìn)行直接通信；(4)可連接到Internet，實(shí)現整個(gè)工廠(chǎng)全球化聯(lián)網(wǎng)；(5)以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統總線(xiàn)，又是連接現場(chǎng)設備的現場(chǎng)總線(xiàn)，內部和外部的通信在此沒(méi)有什么區別，集線(xiàn)器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過(guò)分配地址空間將內部通信從外部通信中分離出來(lái)。

　　四 小結 　　 　　

　　Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert說(shuō)：“嵌入有以太網(wǎng)的現場(chǎng)設備，以 及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現實(shí)”。這個(gè)預言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現場(chǎng)控制級。但從目前的趨勢來(lái)看，已有的現場(chǎng)總線(xiàn)仍將繼續存在，不太可能退出歷史舞臺。在現場(chǎng)級，工業(yè)以太網(wǎng)能占領(lǐng)一定的市場(chǎng)，但它是否能作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標準，一時(shí)難作定論，最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統。此外，并非每種現場(chǎng)總線(xiàn)都將被工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)所替代，如AS-i、CAN，這兩種現場(chǎng)總線(xiàn)就應用于二位I/O傳感器/執行器而言，無(wú)疑是最佳的(AS-i傳輸4位數據，且總線(xiàn)可帶電；CAN最多傳輸8個(gè)字節)，還有一些專(zhuān)用總線(xiàn)，如SERCOS (用于數控，控制運動(dòng)軸，為IEC61491國際標準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專(zhuān)門(mén)的應用領(lǐng)域，均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)。另外，易燃、易爆(如化工、制藥)，以及環(huán)境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場(chǎng)合，也不適宜于應用工業(yè)以太網(wǎng)。

　　綜上所述，已有的現場(chǎng)總線(xiàn)有它自己的市場(chǎng)定位，將來(lái)仍將保持這種狀況，或與工業(yè)以太網(wǎng)相結合?，F場(chǎng)總線(xiàn)不可能為工業(yè)以太網(wǎng)所替代，但后者發(fā)展的巨大潛力決不容忽視，其應用領(lǐng)域定將不斷地得到擴展