工业以太网的概述与应用场景

自从以太网在办公室普及并频繁地在企业网络的高端控制器中使用后，在控制层甚至是设备层使用以太网已经是很自然的事了。它有成本低、连接性好和高速网络的简单传输等优点。工业以太网技术与普通商用以太网同样符合IEEE 802.3标准，也就是说工业以太网在电气特性和链路通信协议上与普通以太网没有区别。

1.以太网在工业控制中应用时存在的问题

（1）首先是由于以太网采用载波侦听／冲撞检测（CSMA／CD）介质访问控制方式，如果在网上同时有两个节点发信息，发生冲突，两个节点都必须退回去，经过随机延时再向网络发送信息，所以不能满足工业网络通信的实时性和确定性的要求。

（2）以太网的传输效率比较低。不同网络对报文长度有限制，在报文中，除了数据以外，还有一些作为同步、地址、校验等附加字段，有效数据字段与附加字段之比称为网络有效传输效率。

（3）以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆是为办公自动化而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。在工业环境中，Ethernet抗干扰性能较差。工业用的器件价格比较高。

（4）以太网若用于危险场合，它不具备本安特性，也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。

2.以太网在工业控制中应用时所存在问题的解决办法

以上三个问题除本安特性问题外，都得到了改善。对于第一个问题的解决，由于现在以太网速度很高，两个节点发生冲突的机会很少；另外，采用工业以太网交换技术（Ether⁃netSwitch），如果发生冲突，可以用软件解决。关于接插件、集线器、交换机现在已经有导轨式的，适合即插即用。

3.实例

美国SIXNET公司对于以太网的时间不确定性和实时性问题的解决办法如下：

（1）采用专用的控制网络。首先认为控制系统的I／O网络是专为输入／输出用的，它是轻载的，假设一个系统有5个站，每个站有200个模拟量和400个开关量，总共有1 000个模拟量和2 000个开关量，数据送给主站登记一次需要50 ms。一个模拟值占2个字节，8个开关量打成一个包占一个字节。如果一个信息的效率是50%（按保守估计，假定网络字符没有分类，如地址、错误检测的字节），送出4 500个字符，速率10 Mbps，在数据刷新时，总的传输时间将是4.5 ms，如果刷新时间为50 ms，那么占以太网带宽不到10%。即使产生错误，每个消息送出2次，那么50 ms的刷新周期只用到网络能力的1／5。该例子表明，控制网络轻型负载能实现实时数据的性能。

（2）提高网络速度，工业以太网交换技术可避免冲突和网络不能超载。提高以太网读取实时数据的性能，SIXNET公司的方案是读I／O数据的驱动软件能并行处理，在同一个时间内，用多个站来处理I／O信号，驱动软件建立一个表，用记账的办法跟踪响应。灵活表决的算法，使系统有更高的性能。SIXNET公司称这样的I／O驱动为SIXNET控制室，I／O映像源数据库有效安排I／O消息到多个站，任何一个映像源，都不能超载。如有错误发生，自动跟踪并按时重试。所有网上的线都通过SWITCH连接，它是星形连接，在一条线上，只有一个节点，在SWITCH内有缓冲器，安装确定性软件，所以信号是确定的。以太网的软件编制采用“隧道”技术，把原来通过RS-485、RS-232来传的信息包嵌入以太网，通过以太网来传，以太网便成为快速的串行口。SIXNET公司还采用以太网交换技术，形成以太网冗余“环形”拓扑，提高可靠性。

（3）TCP／IP和UDP／IP协议并用，提高实时性。工业以太网目前比较适合于车间一级的控制网络使用，但不适合于替代现场总线作为I／O设备网络使用。工业以太网实质只是定义了网络的物理层和数据链路层，即工业以太网目前不存在所谓的应用标准，一般不同公司采用不同的通信协议。(www.xing528.com)

4.目前工业以太网的应用

（1）Modbus／TCP：Modbus是MODICON公司在20世纪70年代提出的一种用于PLC之间的通信协议。由于Modbus是一种面向寄存器的主从式通信协议，协议简单实用，而且文本公开，因此在工业控制领域作为通用的通信协议使用。最早的Modbus协议是基于RS-232／RS-485／RS-422等低速异步串行通信接口，随着以太网的发展，将Modbus数据报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。

（2）Ethernet／IP：Ethernet／IP是美国Rockwell公司提出的以太网协议，其原理与Modbus／TCP相似，只是将ControlNET和DeviceNET使用的CIP（Control Information Protocol）报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。满足CIP的三种协议Ethernet／IP、ControlNET和DeviceNET共享相同的数据库、行规和对象，相同的报文可以在三种网络中任意传递，实现即插即用和数据对象共享。

（3）FF HSE：HSE是IEC 61158现场总线标准中的一种，HSE的1～4层分别是以太网和TCP／IP，用户层与FF H1相同，现场总线信息规范FMS在H1中定义了服务接口，在HSE中采用相同的接口。

（4）PROFInet：PROFInet是在Profibus的基础上向纵向发展，形成的一种综合系统解决方案。PROFInet主要基于Microsoft的DCOM中间件，实现对象的实时通信，自动化对象以DCOM对象的形式在以太网交换数据。

要实现一个统一的、具有可操作性的工业以太网，还有相当长的路要走。从以上的讨论不难看出，大的自动化系统公司都把工业以太网使用在控制级及其以上的各级，为保护投资者利益，现场级仍采用现有现场总线，Modbus TCP／IP使用Modbus总线，Ethernet／IP使用DeviceNet和ControlNet现场总线，FF使用FF H1现场总线，PROFInet则完全保留已有的Profibus现场总线。这样一来，要使这些系统相互兼容看来需要走相当长的路。

互联网技术的成功之处在于使用了TCP／IP网络协议，该协议的特点是：开放的协议标准，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件；统一的网络地址分配方案；以及标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

TCP／IP参考模型与ISO OSI参考模型的对应关系如图5-23所示，由于工业网络需要解决工业控制具体问题，因而需要增加用户层，所以说工业TCP／IP参考模型是四层结构。在TCP／IP参考模型中，主机—网络层是最低层，它负责通过网络发送和接收IP数据包，TCP／IP参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，充分体现了TCP／IP协议的兼容性与适应性。利用这种技术，各种协议的现场总线都可以接入TCP／IP网络，IP互联层相当于OSI模型网络层的无连接网络服务，用来确定信息传输路线，为每个数据包提供独立的寻址能力；TCP传输层负责无差错的传送数据包，一旦出错能够实现重发和指示出错。

在TCP／IP参考模型中，应用层是高层协议，它包括超级文本传输协议HTTP、文件传输协议FTP、简单网络管理协议SNMP等建立于IT技术的协议。对于工业以太网，在传输非实时数据时，上述协议仍然适用。但是，工业以太网要用于工业控制，还必须在应用层解决实时通信，用于系统组态的对象和工程模型的应用协议。目前，要建立一个统一的应用层和用户层标准协议还只是一个长远的目标。

近来，随着网络通信技术的进一步发展，用户的需求也日益迫切，国际上许多标准化组织正在积极地工作以建立一个工业以太网的应用协议。工业自动化开放网络联盟（Industrial Automation Open Networking Alliance，IAONA）协同开放式设备网络供货商协会（Open DeviceNet Vendor Association，ODVA）和分散自动化集团（Interface for Distributed Automation，IDA）共同开展工作，并对推进基于Ethernet TCP／IP工业以太网的通信技术达成共识。由IAONA负责定义工业以太网公共的功能和互操作性，具体内容包括对于IP地址即插即用互操作的通用策略、装置描述和恢复机制、网络诊断的方案；指导使用Web技术；一致性测试；以及定义一种应用接口，以消除各种协议间的差异。我们相信，经过各方面的共同努力，不久的将来就会实现。

图5-23　OSI与TCP／IP体系结构对比