工业以太网的选择与考虑因素

1.工业以太网定义

工业以太网是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的强大的区域和单元网络。工业以太网，提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标准）也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

选择工业以太网，要考虑以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口。如果对工业以太网的网络管理有更高要求，则需要考虑所选择产品的高级功能，如：信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干（TrunkingTM）冗余、环网冗余、服务质量（QoS）、虚拟局域网（VLAN）、简单网络管理协议（SNMP）、端口镜像等等其他工业以太网管理交换机中可以提供的功能。

2.通讯协议

以太网用于工业控制时有四种主要协议：HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

（1）HSE：基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范，称HSE（High Speed Ethernet）。HSE是以太网协议IEEE802.3，TCP/IP协议族与FFIll的结合体。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网 络与Internet的集成。

HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将Hl（31.25kb/s）设备连接 100Mb/s的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥和网关的功能。网桥功能能够用于连接多个H1总线网段，使同H1网段上的H1设备之间能够进 行对等通信而无需主机系统的干涉；网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络，HSE链接设备不需要为H1子系统作报文解释，而是将来自H1总线网段的报文数据集合起来并且将Hl地址转化为IP地址。

（2）Modbus TCP/IP：该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的 确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况。施耐德公司已经为Mod-bus注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。

（3）ProfiNet：针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，主要包括：基于组件对象模型（COM）的分布式自动化系统；规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间的开放、透明通信；提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。ProfiNet采用标准TCP/IP十以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备（proxy）连接到ProfiNet网络当中，使整Profibus设备和协议能够原封不动地在 Pet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象间的 调用。

（4）Ethernet：Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它是由ODVA（Open Devicenet Vendors Asso-cation）和Control Net International两大工业组织推出的最新成员与Device Net和Control Net一样，它们都是基于CIP（Controland Information Proto-Col）协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式（控制）的实时I/O信息和显式信息（包括用于组态、参数设置、诊断等） 的有效传输。

Ethernet/IP采用和Devicenet以及ControlNet相同的应用层协议CIP。因此，它们使用相同的 对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。Ethernet/IP采用标准的Ethernet和TCP/IP技术传送CIP通信包，这样通用且开放的应 用层协议CIP加上已经被广泛使用的Ethernet和TCP/IP协议，就构成Ethernet/IP协议的体系结构。

3.技术特点

工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显：

（1）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。

（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

（3）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

（4）通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，当前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比现场总线快很多。

（5）可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

4.通信功能

PROFInet设备通信功能的实现是基于传统的Ethernet通信机制（如TCP或UDP），同时又采用RPC和DCOM机制进行加强。DCOM可视为用于基于RPC分布式应用的COM技术的扩展，可以采用优化的实时通信机制应用于对实时性要求苛刻的应用领域。在运行期间，PROFInet设备以DCOM对象的形式映像，通过对象协议机制确保了DCOM对象的通信。COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。通过DCOM布线协议DCOM定义了对象的标识和具有有关接口和参数的方法，这样就可以在通信总线上进行标准化的DCOM信息包的传输。对于更高层次上的通信，PROFInet可以采用集成OPC（OLE for Process Control）接口技术的方式。

5.自动化领域(www.xing528.com)

PROFInet是一种优越的通信技术，并已成功地应用于分布式智能控制。PROFInet为分布式自动化系统结构的实现开辟了新的前景，可以实现全厂工程彻底模块化，包括机械部件、电气/电子部件和应用软件。PROFInet支持各种形式的网络结构，使接线费用最小化，并保证高度的可用性。此外，特别设计的工业电缆和耐用的连接器满足EMC和温度要求并形成标准，保证了不同制造设备之间的兼容性。

PROFInet不仅可以应用于分布式智能控制，而且还逐渐进入到过程自动化领域。在过程自动化领域，PROFInet针对工业以太网总线供电以及以太网本质在安全领域应用的问题正在形成标准或解决方案，采用PROFInet集成的Profibus现场总线可以为过程自动化工业提供优越的解决方案。

采用PROFInet通讯技术，不仅可以集成Profibus现场设备，还可以通过代理服务器（Proxy）实现其他种类的现场总线网络的集成。采用这种统一的面对未来的设计概念，工厂内各部件都可以作为独立模块预先组装测试，然后在整个系统中轻松组装或在其他项目中重复使用。譬如对于一个汽车生产企业而言，PROFInet支持的实时解决方案完全可以满足车体车间、喷漆车间和组装部门等对响应时间的要求，在机械工程及发动机和变速箱生产环节中的车床同步等方面则可使用PROFInet的同步实时功能。

6.系统组成

工业以太网设备包括以下几个重要部分：工业以太网集线器、工业以太网非管理型交换机、工业以太网管理型交换机、工业以太网管理型冗余交换机。

高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余RapidRingTM以及Trunking。

（1）工业以太网 STP及RSTP：STP（Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D），是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞（blocked）状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1w）作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。生成树算法网络结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。

（2）工业以太网环网冗余：为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing孕育而生。这是在工业以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过工业以太网交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。

RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网，使网络拓扑更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。

（3）工业以太网主干冗余：将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，则这些工业以太网交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍地提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间在10ms以下。

以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多－通常是一台非管理型交换机的3至4倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可缺的。

绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP（简单网络管理协议），用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN（虚拟局域网），用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断（block）备用路径。

7.应用安全

工业以太网是当前工业控制领域的研究热点。工业以太网重点在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无缝集成。工业以太网开始在监控层网络上逐渐占据主流位置，正在向现场设备层网络渗透。工业以太网相对于以往自动化技术有很多优势，在享受开放互联技术进步的成果同时应该对它们存在的隐患和可能带来的严重后果要有深刻认识。

虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。既有与信息网络相同的特点和安全要求，也有自己不同于信息网络的显著特点和安全要求：

（1）工业以太网是一个网络控制系统，实时性要求高，网络传输要有确定性。

（2）整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的工业以太网以及现场设备层（如现场总线）。管理层通用以太网可以与控制层的工业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信。

（3）工业以太网中周期与非周期信息同时存在，各自有不同的要求。周期信息的传输通常具有顺序性要求，而非周期信息有优先级要求，如报警信息是需要立即响应的。

（4）工业以太网要为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，同时也要为非紧要任务提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协议。