一、引言
工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容。產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
Ethernet過去被認(rèn)為是一種“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用，這是由于：
(1)Ethernet的介質(zhì)訪問控制(MAC)層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時，網(wǎng)絡(luò)的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求;
(2)Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求;
(3)在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾(EMI)性能較差，若用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能;
(4)Ether-net不能通過信號線向現(xiàn)場設(shè)備供電問題。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決。
二、Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)
(一)通信確定性與實時性
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。
工業(yè)以太網(wǎng)采取了以下措施使得該問題基本得到解決：
1.采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡(luò)帶寬。
Ether-net的通信速率從10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機率大大下降，從而提高其實時性。
2.采用全雙工交換式以太網(wǎng)。
用交換技術(shù)替代原有的總線型CSMA/CD技術(shù)，避免了由于多個站點共享并競爭信道導(dǎo)致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費，同時還可以實現(xiàn)全雙工通信，提高信道的利用率。
3.降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同，每個結(jié)點傳送的實時數(shù)據(jù)量很少，一般為幾個位或幾個字節(jié)，而且突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生，因此可以通過限制網(wǎng)段站點數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)流量，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性。
4.應(yīng)用報文優(yōu)先級技術(shù)。
在智能交換機或集線器中，通過設(shè)計報文的優(yōu)先級來提高傳輸?shù)膶崟r性。
(二)安全性
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。
在目前技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆、防爆的措施比較可行，即通過對Ethernet現(xiàn)場設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現(xiàn)場設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點火能量不外泄，以保證系統(tǒng)運行的安全性。對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。
工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運作效率。
但同時也引人了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全向題，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。
一般情況下，可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理。
(三)穩(wěn)定性與可靠性
傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。
為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann, Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9 結(jié)構(gòu)。
此外，在實際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。
(四)總線供電問題
總線供電(或稱總線饋電)是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。對于現(xiàn)場設(shè)備供電可以采取以下方法：
1.在目前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設(shè)備端再將這兩路信號分離開來。
2.不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)備提供電源。
三、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議
當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時，應(yīng)用層包括HT-TP、FTP、SNMP等常用協(xié)議，但當(dāng)它用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議，目前還沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，但受到廣泛支持并已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品的有以下凡種主要協(xié)議。
(一)HSE
基金會現(xiàn)場總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱HSE(High Speed Ethernet)。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE 802.3，TCP/IP協(xié)議族與FF Ill的結(jié)合體。FF現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。
HSE技術(shù)的一個核心部分就是鏈接設(shè)備，它是HSE體系結(jié)構(gòu)將Hl(31.25 kb/s)設(shè)備連接100 Mb/s的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)橋功能能夠用于連接多個H1總線網(wǎng)段，使同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對等通信而無需主機系統(tǒng)的干涉;
網(wǎng)關(guān)功能允許將HSE網(wǎng)絡(luò)連接到其他的工廠控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，HSE鏈接設(shè)備不需要為H1子系統(tǒng)作報文解釋，而是將來自H1總線網(wǎng)段的報文數(shù)據(jù)集合起來并且將Hl地址轉(zhuǎn)化為IP地址。
(二)Modbus TCP/IP
該協(xié)議由施耐德公司推出，以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，成為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應(yīng)答，這種呼叫/應(yīng)答的機制與Modbus的主/從機制相互配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性，利用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)頁的形式可以使用戶界面更加友好。
利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器便查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備運行情況。施耐德公司已經(jīng)為Mod-bus注冊了502端口，這樣就可以將實時數(shù)據(jù)嵌人到網(wǎng)頁中，通過在設(shè)備中嵌入Web服務(wù)器，就可以將Web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端。
(三)ProflNet
針對工業(yè)應(yīng)用需求，德國西門子于2001年發(fā)布了該協(xié)議，它是將原有的Profibus與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，形成了ProfiNet的網(wǎng)絡(luò)方案，主要包括：
(1)基于組件對象模型(COM)的分布式自動化系統(tǒng);
(2)規(guī)定了ProfiNet現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信;(3)提供了一個獨立于制造商，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。
ProfiNet采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP十以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。
現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設(shè)備(proxy)連接到ProfiNet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動地在Pet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理proxy與ProFiNET上面的COM對象進(jìn)行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象間的調(diào)用。
(四)Ethernet/IP
Ethernet/IP是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它是由ODVA(Open Devicenet Vendors Asso-cation)和ControlNet International兩大工業(yè)組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet一樣，它們都是基于CIP(Control and Information Proto-Col)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式(控制)的實時I/O信息和顯式信息(包括用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等)的有效傳輸。
Ethernet/IP采用和Devicenet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)議CIP。因此，它們使用相同的對象庫和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。Ethernet/IP采用標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet和TCP/IP技術(shù)傳送CIP通信包，這樣通用且開放的應(yīng)用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的Ethernet和TCP/IP協(xié)議，就構(gòu)成Ethernet/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。
四、工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢
(一)應(yīng)用廣泛
以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言如Visual C++、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。
(二)成本低廉
以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多(約為1/10);另外，以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多經(jīng)驗，具有相當(dāng)成熟的技術(shù)。大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。
(三)資源共享能力強
隨著Internet/ Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。
(四)通信速率高
目前，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s(如西門子Profibus-DP)。顯然，以太網(wǎng)的速率要高。
