以太網(wǎng)主要用在商業(yè)環(huán)境，而工業(yè)以太網(wǎng)主要用在自動(dòng)化設(shè)備上。自動(dòng)化設(shè)備在實(shí)時(shí)性、確定性、可靠性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)環(huán)境。商業(yè)環(huán)境對(duì)信息的傳輸，延時(shí)一秒是可以接受的，而某些工業(yè)設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性要求是時(shí)延不超過(guò)幾十毫秒，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求不同。
以太網(wǎng)的通訊機(jī)制
以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，采用星型和總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。
以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統(tǒng)的共享網(wǎng)絡(luò)中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著2臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)見(jiàn)的互相沖突。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個(gè)站點(diǎn)訪問(wèn)介質(zhì)前，必須先監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上有沒(méi)有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。如果有則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少?zèng)_突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)CSMA的算法2。
由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場(chǎng)總線廠商大開(kāi)了方便之門(mén)。
以太網(wǎng)的缺陷
1、確定性
由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議是的網(wǎng)絡(luò)上存在沖突。對(duì)于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)絡(luò)間通信的不確定性大大增加，帶來(lái)系統(tǒng)控制性能的降低。
2、實(shí)時(shí)性
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，在一個(gè)事件發(fā)生之后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)作出反應(yīng)。而工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求非常高，數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十毫秒完成。而以太網(wǎng)的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)重發(fā)數(shù)據(jù)，可以嘗試16次，這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。
而設(shè)備的掉線，可能會(huì)造成重大的設(shè)備或者人身安全事故。
3、可靠性
以太網(wǎng)是為商業(yè)設(shè)計(jì)的，但應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，面對(duì)惡劣的工況、嚴(yán)重的線間干擾，必然降低其可靠性。所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求具有高的可靠性，可恢復(fù)性以及可維護(hù)性。
工業(yè)以太網(wǎng)的解決機(jī)制
1、交換技術(shù)
將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分機(jī)制。各個(gè)領(lǐng)域之間用交換機(jī)連接，減少?zèng)_突問(wèn)題和錯(cuò)誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的確定性。
2、高速以太網(wǎng)
沖突的發(fā)生與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大，發(fā)生沖突的概率越大。提高以太網(wǎng)的通訊速度，可以有想降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。
3、IEEE1588對(duì)時(shí)機(jī)制
IEEE1588定義了一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議(PTP)。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達(dá)微秒范圍。它使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機(jī)制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)同步控制信號(hào)產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達(dá)到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。通過(guò)采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運(yùn)行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達(dá)到的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)。
一個(gè)包括IEEE1588對(duì)時(shí)機(jī)制的簡(jiǎn)單系統(tǒng)至少包括一個(gè)主時(shí)鐘和多個(gè)從屬時(shí)鐘。如果同時(shí)存在多個(gè)潛在的主時(shí)鐘，那么活動(dòng)的主時(shí)鐘將根據(jù)最優(yōu)化的主時(shí)鐘算法決定。所有的時(shí)鐘不斷地與主時(shí)鐘比較時(shí)鐘屬性，如果新時(shí)鐘加入系統(tǒng)或現(xiàn)存的主時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，則其他時(shí)鐘會(huì)重新決定主時(shí)鐘。如果多個(gè)PTP子系統(tǒng)需要互聯(lián)，則必須由邊界時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。邊界時(shí)鐘的某個(gè)端口會(huì)作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián)，并且為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。因此這個(gè)子系統(tǒng)的主時(shí)鐘是整個(gè)系統(tǒng)的原主時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘的其他端口會(huì)作為主端口，通過(guò)邊界時(shí)鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統(tǒng)。邊界時(shí)鐘的端口對(duì)子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是普通時(shí)鐘。
IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專門(mén)的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開(kāi)的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優(yōu)點(diǎn)是其標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當(dāng)中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標(biāo)準(zhǔn)，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。
工業(yè)以太網(wǎng)典型協(xié)議
典型的工業(yè)以太網(wǎng)包括4種協(xié)議：HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。
HSE
基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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IEEE802.3，TCP/IP協(xié)議族與FFIll的結(jié)合體。FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng) 絡(luò)與Internet的集成。
Modbus
Modbus TCP/IP
該協(xié)議由施耐德公司推出，以一種非常簡(jiǎn)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(gè)呼叫都要求一個(gè)應(yīng)答，這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus的主/從機(jī)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(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式可以使用戶界面更加友好。
ProflNet
針對(duì)工業(yè)應(yīng)用需求，德國(guó)西門(mén)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。
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(lái)完成節(jié)點(diǎn)間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
Ethernet
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Control Net International兩大工業(yè)組織推出的最新成員與Device Net和Control Net一樣，它們都是基于CIP(Controland 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(shí)時(shí)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。
未來(lái)提供工業(yè)骨干網(wǎng)的解決方案，對(duì)于傳統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備的高端儀器，其通訊的性能要求是可以達(dá)到工業(yè)以太網(wǎng)的級(jí)別的。
就如文中所述，隨著網(wǎng)絡(luò)速率的提升，未來(lái)可能以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的差異不大。但至少現(xiàn)在還有差異，無(wú)論如何，要實(shí)現(xiàn)全部設(shè)備的骨干網(wǎng)，需要：
1、支持現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議;
2、提升網(wǎng)絡(luò)的性能，解決現(xiàn)有以太網(wǎng)的問(wèn)題中，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)解決的問(wèn)題;
3、未來(lái)是否可能實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到工業(yè)以太網(wǎng)的性能?
實(shí)現(xiàn)了前面兩條，我認(rèn)為工業(yè)骨干網(wǎng)才可能被工業(yè)企業(yè)接受。
