工业以太网及系统结构分类介绍

鉴于工业以太网的快速发展和关键问题的突破，使得工业自动化领域控制级以上的通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。目前，典型的工业以太网主要有以下4个：Modbus-IDA（Modbus protocol on TCP/IP）工业以太网、Ethernet/IP（the ControlNet/DeviceNet Objects on TCP/IP）工业以太网、Foundation Fieldbus HSE（High Speed Ethernet）工业以太网和PROFINET（Profibus on Ethernet）工业以太网，下面分别介绍。

（一）Modbus-IDA工业以太网

IDA（Interface for Distributed Automation）组织是由德国Phoenix Contact公司和法国Schneider电气公司等多家公司于2000年3月联合成立的，该组织提出一套基于Ethernet、TCP/IP的用于分布式自动化的接口标准，利用这个接口标准，可以建立基于Ethernet和Web的分布式智能控制系统。IDA组织开发的工业以太网的主要定义有：协议、方法和用于节点间实时和管理通信的对象结构；为了实现不同生产商工具和设备间的对象交换，将使用基于XML的对象描述和交换机制；通过定义一个安全层，将大大增强网络的安全性；为了同步设备的时钟，定义了高精度同步的方法；定义了设备描述、IP寻址和设备映象等方法，简化设备的安装和替换，实现真正意义上的即插即用。

Modbus协议原为美国Modicon公司于20世纪7O年代所发表的用于PLC产品的通信协议。由于其功能比较完善，很容易实现，适用于不少工业用户所需要的通信类别，所以被许多系统供应商采纳，得到很广泛的应用，已成为事实上的工业通信标准。早期的Modbus协议似乎建立在TIA/EIA标准RS-232F和RS-485A串行链路的基础上，近年来，随着Modbus协议不断发展，已经将WebServer、Ethernet和TCP/IP等技术引入应用协议，于是，在2002年5月以法国Schneider公司为首的MODBUS组织（Modbus Organization）发表了Modbus TCP/IP规范，它建立在IETF标准RFC793和RFC791基础上。

Modbus TCP/IP基本上用简单方式将Modbus帧嵌入TCP帧，这是一种面向连接的传送，它们需要响应。使用UDP不需要响应，其差错检验通常在应用层完成。上述求/响应技术很适用于Modbus的主站/从站特性，交换式Ethernet为用户提供确定性特性。在TCP帧中使用开放的Modbus可提供一种系统规模可伸缩的方案，由10个网络节点到100个网络节点，无须采用多目的传送技术。

从上面的叙述可以看出，Modbus组织和IDA集团都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的分布式智能自动化系统，因此，合并后ModbusIDA工业以太网将会更加完善，其系统构成框图如图6-11所示。从图6-11中可以看出，该系统是总线型分级分布式系统结构，当然以太网也可以采用环型拓扑结构。管理级采用以太网TCP/IP标准，它由目前流行的商用以太网集线器、交换机和收发器等构成，可完成用户各种管理功能；控制级包括PLC、IPC、分布式I/O、人机界面、电机速度控制器和网关等，采用Modbus TCP/IP协议，完成各种控制功能；现场级可采用基于Modbus协议或Ethernet协议的各类设备和I/O装备；嵌入式Web服务是系统核心技术之一，使用标准的Internet浏览器就可以读取设备的各类信息、修改设备的配置和查看历史故障记录。同时，集成式Web服务器可完成系统设备的诊断功能。

图6-11　Modbus-IDA工业以太网系统结构

Modbus-IDA通信协议模型建立在面向对象的基础上，这些对象可以通过API应用程序接口被应用层调用。通信协议同时提供实时服务和非实时服务。非实时通信基于TCP/IP协议，充分采用IT成熟技术，如基于网页的诊断和配置（HTTP）、文件传输（FTP）、网络管理（SNMP）、地址管理（BOOTP/DHCP）和邮件通知（SMTP）等；实时通信服务建立在RTPS（实时发布者/预订者模式）和Modbus协议之上。RTPS协议及其应用程序接口（API）由一个对各种设备都一致的中间件来实现，它采用美国RTI公司的NDDS3.0实时通信系统，并构建在UDP协议上；Modbus协议构建在TCP协议上。

（二）Ethernet/IP工业以太网

1998年初，Control Net国际组织开发了由Control Net和Device Net共享的、开放的和被广泛接受的应用层规范，上述两种网络都是基于Ethernet的。利用这种技术，CI、工业以太网协会和开放的Device Net供应商协会于2000年3月发表了Ethernet/IP，打算将这个基于Ethernet的应用层协议作为工业自动化标准。

以太网协议是一种开放的工业网络标准，它支持显性和隐性报文，并且使用目前流行的商用以太网芯片和物理媒体。Ethernet/IP网络使用有源星形拓扑结构，一组装置点对点地连接到交换机。星形拓扑的优点是支持l0Mbit/s和100Mbit/s的产品，可以将10Mbit/s和100Mbit/s产品混合使用。星形拓扑接线简便，很容易查找故障，维护也简单等。

Ethernet/IP是一种开放协议，它使用现有的成熟技术：IEEE802.3物理和数据链路协议；Ethernet TCP/IP协议组；控制和信息协议（CIP），它提供实时的I/O报文和信息，以及对等层通信报文。

Ethernet/IP成功之处在于TCP/UDP/IP之上附加CIP，提供一个公共的应用层，CIP的控制部分用于实时I/O报文或隐性报文。CIP的信息部分用于报文交换，也称作显示报文。Control Net、Device Net和Ethernet/IP都使用该协议通信，三种网络分享相同的对象库，对象和装置行规（Device profile）使得多个供应商的装置能在上述三种网络中实现即插即用。对象的定义是严格的，在同一种网络上支实时报文、组态和诊断。Ethernet/IP能够用于处理多达每个包1500B的大批量数据，它以可预报方式管理大批量数据。目前，Ethernet网络技术正在快速发展，成本在迅速下降，因而Ethernet/IP得到了越来越广泛的应用。

（三）FF HSE工业以太网

1998年，美国Fieldbus Foundation（FF）决定采用高速以太网（HSE）技术开发H2现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用解决了两线制供电的H1现场总线，从而构成了信息集成开放的体系结构。

现场级网络H1以31.25kbit/s速度工作，支持过程控制应用。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框架内无缝地进行操作，因而FFHSE可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备。100Mbit/s以太网拓扑采用交换机构成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。HSE使用标准的IEEE802.3信号传输、标准的Ethernet接线和通信媒体。设备与交换机之间距离，使用双绞线为100m，使用全双工光缆则可达2000m。HSE使用连接装置（Linking Device）连接H1子系统，LD履行网桥功能，它容许就地连在H1网络上的各现场设备完成点对点等通信。HSE支持冗余通信，如果一条线路断开，则数据流将立即移至后备线路传送。采用冗余的交换机和连接装置可以实现网络的冗余与容错，HSE上的任何设备都能作冗余配置。(www.xing528.com)

FFHSE通信系统协议规范已被国际电工委员会接受，成为IEC61158国际标准。FFHSE的1～4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。

FF规范了21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用，这些标准的功能模块驻留在连至HSE网络的现场设备中，仅需组态并予以链接。FF还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用。FFB支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC和与其他协议通信的网间连接器。

HSE工业以太网为连续的过程工业和断续的制造工业所需的连续实时控制提供了各种解决方案。它也为各类传感器、连续与断续自动控制系统、监控和批量系统、资源规划系统以及信息管理系统的集成提供了一种标准的协议。

（四）ProfiNet工业以太网

PNO（Profibus National Organization）组织于2001年8月发表的ProfiNet规范是用于Profibus纵向集成的、开发的、一致的综合系统解决方案。ProfiNet将工厂自动化和企业信息管理较高层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。ProfiNet特别重视有关保护投资的要求，以确保现有工厂的继续运行，同时还要求现有的系统可以集成已经安装的系统。

ProfiNet通信系统的系统方案支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/UDP/IP基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。基于对象应用的DCOM通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的PDU形式表示的ProfiNet组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即COM对象作为DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制（ACCO）确保了已组态的互相连接的设备件通信关系的建立和数据交换。传输本身是由设备件控制的，ACCO也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。

ProfiNet构成从I/O层直至协调管理层的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案，Profibus技术可以在整个系统中无缝地集成。Profibus可以通过代理服务器（Proxy）很容易地实现与其他现场总线系统的集成。在该方案中，通过代理服务器将通用的Profibus网络连接到工业以太网；通过以太网TCP/IP访问Profibus设备是由Proxy使用远方程序调用和Microsoft DCOM进行处理的。代理服务器是一种实现自动化对象功能的软件模块，该自动化对象既代表Profibus用户又代表工业以太网上的其他ProfiNet用户。

ProfiNet通信协议使用如下标准与技术：IEEE 802.1标准；Ethernet TCP/UDP/IP协议；特定的实时协议；COM/DCOM组件模型；对象模型；以及网络管理等技术。

综上，ProfiNet规范将现有的Profibus协议与微软的自动化对象模型COM/DCOM标准、TCP/IP通信协议以及工控软件互操作规范OPC技术等有机地结合成一体。ProfiNet试图实现向所有的自动化装置都是透明的、面向对象的和全新的结构体系。

从以上不难得出，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，为了保护投资的利益，现场级仍然采用现有的现场总线，ModbusTCP/IP使用Modbus总线，Ethernet/IP使用DeviceNet和Control Net现场总线，FF HSE现场级使用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。

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8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互连层相当于OSI模型的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传输层则负责无差错地传送数据包，一旦出错能够实现重发和指示出错。

在TCP/IP参考模型中，应用层是最高层协议，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 Network Alliance，IAONA）协同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。相信，经过各方面的共同努力，不久的将来就会出现一个具有互操作性的工业以太网。