工業以太網與實時以太網協議剖析

1、引 言
隨著計算機、通信、網絡等信息技術的發展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業乃至世界各地的市場，因此，需要建立包含從工業現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡平臺，建立以工業控制網絡技術為基礎的企業信息化系統。
工業控制網絡作為一種特殊的網絡，直接面向生產過程，肩負著工業生產運行一線測量與控制信息傳輸的特殊任務，并產生或引發物質或能量的運動和轉換，因此它通常應滿足強實時性、高可靠性、惡劣的工業現場環境適應性、總線供電等特殊要求和特點。
在這種背景下，20世紀80年代產生和發展起來的現場總線技術，以全數字的通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，使得控制系統與現場儀表之間不僅能傳輸生產過程測量與控制信息，而且能夠傳輸現場儀表的大量非控制信息，使得工業企業的管理控制一體化成為可能。并且促使目前的自動化儀表、DCS和可編程控制器（PLC）等產品所面臨的體系結構和功能結構產生重大變革。
現場總線技術在其發展過程中存在不足：
（1）現有的現場總線標準過多，僅國際標準IEC61158就包含了8個類型，未能統一到單一標準上來；
（2）不同總線之間不能兼容，不能真正實現透明信息互訪，無法實現信息的無縫集成；
（3）由于現場總線是專用實時通信網絡，成本較高；
（4）現場總線的速度較低，支持的應用有限，不便于和Internet信息集成。

2、工業以太網
什么是工業以太網？一般來講，工業以太網在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度和適用性方面能滿足工業現場的需要。即滿足以下要求：
（1） 環境適應性
包括機械環境適應性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環境適應性（工作溫度要求為-40～+85℃，至少為-20～+70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN 50081-2、EN 50082-2標準。
（2） 可靠性
工業以太網產品要適應工業控制現場的惡劣環境。
（3） 安全性
在易爆或可燃的場合，工業以太網產品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質安全兩種方式。
（4） 安裝方便，適應工業環境的安裝要求。
為了解決在不間斷的工業應用領域，在極端條件下網絡也能穩定地工作的問題，一些公司專門開發和生產了導軌式收發器、集線器和交換機系列產品，安裝在標淮DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。另外一些公司還專門開發和產生了用于工業控制現場的加固型連接件（如加固的RJ45接頭、具有加固RJ45接頭的工業以太網交換機、加固型光纖轉換器/中繼器等），可以用于工業以太網變送器、執行機構等。工業以太網設備與商用以太網設備之間的區別如附表所示。

附表 工業以太網設備與商用以太網設備之間的區別

3、實時以太網
眾所周知，以太網由于采用CSMA/CD的介質訪問控制機制，而具有通信不確定性的特點，并一度成為它應用于現場總線的主要障礙。因此，僅僅通過采取一些措施，提高以太網設備應用的可靠性和環境適應性，工業以太網仍然沒有能夠解決通信實時性問題。
為此，世界各大公司開始研究基于以太網的通信確定性和實時性問題，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通過了工業現場的實際應用驗證。
2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應實時以太網市場應用需求，制定實時以太網應用行規國際標準。根據IEC/SC65C/WG11定義，所謂實時以太網RTE（Real-time Ethernet），是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關網絡組件或IEC1588的總體行為，但可以在一定程度上進行修改，使之滿足實時行為：
實時性，即確定性通信；
現場設備之間的時間同步行為；
充分、頻繁的長度較短的數據交換。
為此，實時以太網標準首先需要解決實時通信問題，同時，還需要定義應用層的服務與協議規范，以解決開放系統之間的信息互通問題。
標準制定過程中，IEC/SC65C/WG11收到了包括中國EPA在內的6個新的實時以太網提案，這些提案均具有一定的特色。最后，在經過幾次的認真討論，并基于IEC/SC65C于2002年所作的“2007年前不再向IEC61158標準中增加新的類型”的決定，工作組一致同意將新的實時以太網協議作為公共可用規范PAS（Publicly Available Specification）予以發布，2007年IEC61158修訂時，再考慮將這些PAS引入IEC61158。

4、工業以太網協議簡介
目前現場總線體系中，基于以太網的通信協議除了現場總線應用行規國際標準IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，還包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6個新的提案。

4.1 HSE（High Speed Ethernet，高速以太網）
HSE是現場總線基金會在據棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現場總線基金會明確將HSE定位于實現控制網絡與互聯網Internet的集成。由HSE鏈接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干上并進一步送到企業的ERP和管理系統。操作員在主控室可以直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況。現場設備同樣也可以從網絡獲得控制信息。
HSE在低四層直接采用以太網+TCP/IP，在應用層和用戶層直接采用FF H1的應用層服務和功能塊應用進程規范，并通過鏈接設備（Linking Device）將FF H1網絡連接到HSE網段上，HSE鏈接設備同時也具有網橋和網關的功能，它的網橋功能能夠用來連接多個H1總線網段，使不同H1網段上面的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統的干預。HSE主機可以與所有的鏈接設備和鏈接設備上掛接的H1設備進行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場設備，并接收來自現場設備的數據信息，實現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能塊或者“柔性功能塊”（FFB）中。