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标题: 工业以太网，争论与追捧中的不断行进 [打印本页]
作者: porereading    时间: 2014-9-26 22:25     标题: 工业以太网，争论与追捧中的不断行进

前言
　　近二十多年由于通信技术、计算机技术、网络技术的迅速发展，工业自动化控制领域也随之得到了迅速的提高和改革，自动化工程师不仅将这种新技术大胆地运用到工业实践中去，同时学术上也进行了激烈的争论，其焦点无外乎于：
　　* 各种现场总线技术之争
　　* 基于 PC 的控制器与 PLC 控制器的技术之争
　　* 现场总线和工业以太网技术之争
　　经过近二十年的争论，现场总线已有了定论，八种总线归纳于一个 IEC 61158 的国际标准，这个标准的产生不仅仅是技术的应用的比较，更主要是顾及各国的经济利益，八个标准互相不兼容， 成为一个无统一标准的国际标准，看来 OPC 这类纯技术的标准，在 TC 65 委员会显然行不通了。同时基于 PC 的控制器与 PLC 控制器的争论也相持了十多年，相持不下，PLC 控制器生产厂虽然表示支持基于 PC 控制器的发展， 但是更多的处于观望的态度，而基于 PC 的控制器新的开发厂，由于规模小，市场小， 资金短缺，一直处于劣势，只有等待到大公司的醒悟，才会出现新的局面。 唯一感到欣慰是国际标准组织没有将一种或几种控制器作为国际标准， 还要留给了搞自动控制的人们一丝希望， 努力奋斗去搞新的技术和新的产品。 最近 PC 控制技术领域又出现新的迹象，新的工业控制器之争又要展开，即 PAC 与 PLC 之争，这一次新的争论的起源恰恰与工业以太网技术在控制领域的应用和发展有关。


　　实际上是如何将现代通信技术应用到工业自动化控制问题的争论。更深一步地分析， 就是现成广泛应用的现场总线和日益发展的工业以太网技术的争论，现场总线派反对工业以太网进入控制系统的现场层，以保持其在现场层信号传输的地位，而新的工业以太网派则低估现场总线的作用，将工业以太网技术说得神乎其神。 什么一网到底、 透明网络等等， 原有的现场总线派利用它们在国际标准的优先条件，首先将 IEC 61158 的总线系统扩展到以太网领域， 既FF 总线发展成了 HSE， ControlNet 发展成EtherNet/IP， Profibus 和 Interbus 联合发展成了ProfiNet，World-FIP 自动地退出了历史舞台。而更多原来没有搞现场总线， 或者没有机会进入现场总线标准的， 也想通过开发工业以太网技术直接打入到工业通信的标准中去。如 Modbus-TCP，PowerLink， EtherCat 以及我国的 EPA 都成为了PAS 文件。
　　IEC 61158 演变为 IEC 61784-1
　　总线基金会FF 发展成 HSE
　　ControlNet 发展成 EtherNet/IP
　　Profibus和Interbus 发展成 ProfiNet
　　IEC 61784 不排除新的技术的加入
　　Modbus-TCP，PowerLink，EtherCat，EPA.。。（PAS）
　　事实证明现代自动控制的发展是与现代通信技术的发展紧密相关的， 无论是现场总线还是工业以太网都对工业控制系统的分散化、 数字化、 智能化一体化起了决定性的作用。 因此纵观上述的争论是对我们如何看待工业以太网技术的迅猛发展有很大的启示， 在争论中我们需要对不同的工业以太网的技术有所了解，并对他们作一相应的比较， 从而明确未来工业以太网技术对工业控制系统的影响。下面对目前讨论较多的几种工业以太网技术作了略述。
１ 几种工业以太网技术的简介
　　自从1999年以来市场上出现了不少针对不同场合应用的工业以太网技术。其最大的特点就是基于TCP-IP 的技术，同时又根据实践的具体应用的需要开发而成。
　   1.1 EtherCat（Ethernet for Automation Technology）
　　EtherCat是由德国自动控制公司Beckhoff开发的， 并在 2003 年底成立了 ETG （Ethernet Technology Group） ，目前有 130 个成员。一般常规的工业以太网的传输方法都采用先接收通信帧， 进行分析 （解密） 后作为数据送入网络中的各个模块的通信方法进行的， 而 EtherCat 的以太网协议帧中已包含了网络的各个模块的数据， 数据的传输采用移位同步的方法进行，即在网络的模块中得到其相应地址数据的同时，电报帧以传送到下一个设备，相当于电报帧通过一个模块时输出相应的数据， 马上转入下一个模块。 由于这种电报帧的传送从一个设备到另一个设备延迟时间仅为微秒级，所以与其它以太网解决方法相比， 性能比得到了提高。在网络段的最后一个模块结束了整个数据传输的工作， 形成了一个逻辑和物理环形结构。所有传输数据与以太网的协议相兼容， 工作于双工传输，提高了传输的效率。每个装置又将这些以太网协议转换为内部的总线协议。
　　图２是 EtherCat 的工业以太网的协议的结构。


　　EtherCat 通过协议内部的优先权机制可区别传输数据的优先权（Process Data）， 组态数据或参数的传输是在一个确定的时间段中通过一个专用的服务通道进行（Acyclic Data）， EtherCat的操作系统的以太网功能与传输的 IP 协议兼容。
　　EtherCat 技术开发已经完成，专门的 ASIC 芯片也在实现之中。 目前市场上已提供了从站控制器。EtherCat 的规范也成为 IECE1588 （IEC 61158） PAS文件。
　　1.2 EtherNet/IP
　　基于 Ethernet TCP 或 UCP-IP 的 Ethernet/IP是工业自动通讯的一个扩展，这里的 IP 表示为 Industrial-Protocal。在 2000 年底 ODVA 组织首先提出 Ethernet/IP 的概念， 以后SIG （Special Interest Groups）进行了规范工作。ODVA 组织目前有300 多个成员， 并有自己的测试中心。


　　实际上， 所有的 Ethernet/IP 的 CIP （控制和信息协议） 已运用在ControlNet和Devicenet 上了。 这里将这一方法移植到 Ethernet 的 TCP/IP 和 UCP/IP 的通道上来实现。 Ethernet/IP 的规范是公开的，并由 ODVA 组织提供，另外除了办公环境上使用的
　　HFTP、FTP、JMTP、SNMP 的服务程序，Ethernet/IP还具有生产者/客户服务，容许有时间要求的信息在控制器与现场 I/O 模块之间的数据传送。非周期性的信息数据的可靠传输 （如程序下载、 组态文件）采用 TEP 技术，而有时间要求和同期性控制数据的传输由 UCP 的堆栈来处理。为了减少 Ethernet/IP在各种现场设备互相间传输实现的复杂性，Ethernet/IP预先规定了一些设备的标准规定， 如气动设备等不同类型的规定。
　　CIP协议目前进行了以太网的准实时性和安全总线的实施工作， 采用 IEEE 1588 标准的分散式控制器同步机制的CIPsync和基于Ethernet/IP的技术结合安全机制实现的CIPSafty安全控制都在开发之中，2005 年出现 CIPSafty 的产品， 2006 年实现CIPsync的技术。
　　1.3 Ethernet PowerLink
　　最初，Ethernet PowerLink 是由奥地利Bernecher+Rainer 控制公司开发的， 在 2002 年 4 月公布了Ethernet Powerlink标准之后， 与其它公司共同成立了 EPSG 协会，（Ethernet PowerlinkStandandization Group）。共同来推广 EthernetPowerLink 的技术和应用。其主要的成员有Hirschmann， Lenze， Kuka， Zuerich Univerisity等等。其主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。 比如基于 IEEE 1588 标准的同步机制的技术等，将要实现。


　　在 Ethernet Powerlink 中， 以太网协议的常规的第三层 IP 第四层 TCP UCP 称为 EthernetPowerlink 的栈，进行非同步数据的传输，而对快速同期性数据传输建立一个所谓的数据传输栈，Ethernet Powerlink 栈完全控制了网络的数据交通（TRAFFIC）， 实际上是应用等时（slot）通讯网络管理（SCNM ）功能并提供了实时性，每个设备具有严格时间限制的通行权利，可以在网络中进行数据交换，在数据交换每个时间内只允许一个站可以获取信息，这样避免总线传输产生的碰撞问题，因此实现了传输时间确定，SCNM 的方法不仅能给 Isochron 数据提供不同的分时段， 而且也可给非同步数据传输提供公共的等分时段。
　　Powerlink的第二文本的通讯和设备描述绘是根据 CanOpen 来实现的，第三文本是根据 IEEE 1588来完成同步机制。 目前 Ethernet Powerlink 已有产品出现在市场上。
　　1.4 Modbus/TCP
　　Modbus/TCP 在美国比较流行，它有两部分组成，即 IDA（分散式控制系统）的结构与 Modbus/TCP 的信息结构的结合。Modbus/TCP 是 Modbus协议的分支，是由 Modicon 开发的。 1999 年公布了其规范， 开始用在以太网上， 2004 年开始， Modbus/TCP 成为 PAS 文件，Modbus/TCP 基于以太网和标准 TCP/IP 技术，并直接安插在第四层的 TCP/UCP上。 它定义了一个简单的开放式又广泛应用的传输协议网络用于主从通讯方式，一个综合的结构的协议暂时没有考虑。基本工作原理是将传输电报帧嵌入于 TCP/IP 的下层的协议帧中。 在物理层中进行传输。MODBUS 的帧包括了从站的地址，MODBUS功能码和传输的数据， 这里控制码没有被应用， 因为校验功能已在下层 （1-4） 被执行， 功能代码表示必经完成的从站的动作， 习惯上一个从属于MODBUS/TCP 的从站可用 MODBUS 功能来实现。


　　MODBUS/TCP 协议已被提高到 IETF（Internet Engineer Tast Force） 它将作为因特网的标准，这表示 MODBUS/TCP 也将与 FTP 一样成为一个操作系统的一个共用部分，MOBDUS/TCP是最先基于以太网的以太网协议，所以在许多地方都得到了应用。
　　1.5 PROFINET
　　PROFInet 是在 SIEMENS 公司的支持下由 PNO（Profibus Nutzer/User Organisation）开发而成的。它的第一文本仅仅是非时间要求通信的以太网接口的设备和通过 PROXY 网关连结的实时性通信的PROFIBUS-DP 设备的结合体。从 2004 年开始开发与制定新的版本标准。提出了对 IEEE 802.1D 和IEEE 1588进行实时扩展的技术方案， 并对不同实时要求的信息采用不同的软件和硬件的实时传输方法。
　　图６表示了 PROFInetV2 和 V3 的通信协议模型。
　　在第二版本中， PROFINET 提出了两种工业以太网的通信机制， 如图 6 的左边所示，采用TCP/IP协议通道来实现非实时数据的传输， 比方用于设备参数化、 组态和读取诊断数据的传输。 而实时数据的传输是将 OSI 模型的第三层和第四层进行旁路， 实现实时数据通道， 传输的实时数据存放在 RT 堆栈上，实现传输时间的确定性。为了减少通信堆栈的访问时间， V2 版本对协议中传输数据的长度作了限制。因此在实时通道上传输的数据主要是用于现场 I/O数据、 事件控制的信号与报警信号等。 为优化通信功能，PROFINET 根据 IEEE 802.1p 定义了报文的优先权，规定了 7 级的优先级。 其中最高级用于硬实时数据的传输。


　　PROFInet 的第三版本采用了 IRT （Isochronous RealTime）等时同步实时的 ASIC 芯片的硬件方法来实现具有数据同步传输功能的实时数据的传输，以进一步缩短通信栈软件的处理时间， 这样一来， PROFInet 不仅能实现 CBA 的数据通信， 同时应用于快速的时钟同步运动控制。
　　PROFInet 正在开发之中， 并有少量的设备和应用事例。
　　2 小结：几种工业以太网技术的比较
　　下面采用表格的形式对几种工业以太网作一比较，作为本文的小结。






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