引言：
目前，在國(guó)際上有多個(gè)組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2001年9月，我國(guó)科技部發(fā)布了基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，其研究目標(biāo)是：攻克應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括解決以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等問題，同時(shí)研究開發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。
1.1 在應(yīng)用層中的進(jìn)展
(1) 封裝
眾所周知，以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個(gè)共享的構(gòu)架。構(gòu)架包括物理介質(zhì)、幀格式和LAN設(shè)備數(shù)據(jù)的尋址格式，即它只提供物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)、TCP或UDP協(xié)議(層四)，當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，第七層含有HTTP(超級(jí)文本傳輸協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)等。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在第七層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。對(duì)這些不同的概念進(jìn)行組裝稱為“封裝(Encapsulation)。TCP/IP支持基于異種操作系統(tǒng)的異種網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，它是真正的開放系統(tǒng)通信協(xié)議，已成為目前國(guó)際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。
“封裝”是將報(bào)文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP、FF開發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前，現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文基本上沒有什么變化并作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內(nèi)，很容易向下兼容到基于以上總線的協(xié)議。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應(yīng)用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息協(xié)議),CIP通過“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的寬范圍的服務(wù)。
在發(fā)送CIP數(shù)據(jù)包以前必須對(duì)其進(jìn)行封裝，CIP數(shù)據(jù)包給定一個(gè)報(bào)文首部(header)，該首部的內(nèi)容取決于所請(qǐng)求的服務(wù)屬性。通過以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個(gè)專用的以太網(wǎng)首部、一個(gè)IP首部、一個(gè)TCP首部和一個(gè)封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令、格式、狀態(tài)信息和同步數(shù)據(jù)等，這允許CIP數(shù)據(jù)能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)行解碼。Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協(xié)議的Modbus TCP/IP的模塊應(yīng)用于Quantum PLC。Modbus TCP已成為半導(dǎo)體工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議，一個(gè)被認(rèn)為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議，其首部比TCP首部短而簡(jiǎn)單，只需8個(gè)字節(jié)，而TCP為長(zhǎng)度可變的40個(gè)字節(jié))的一個(gè)最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議，為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的類型5。另一種解決方案是在現(xiàn)場(chǎng)總線的上層運(yùn)行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報(bào)文分割為若干個(gè)小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進(jìn)行傳輸，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數(shù)據(jù)包將在接收方重新裝配從而恢復(fù)為原來的TCP/IP報(bào)文。封裝方案的缺點(diǎn)是協(xié)議的效率低，以太網(wǎng)的首部比用戶數(shù)據(jù)大得多，從而大幅度地增加開銷，因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數(shù)據(jù)信息。
(2) 代理服務(wù)器
代理服務(wù)器(Proxy)類似于對(duì)2個(gè)不同通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)(Gate-way)，但其功能要比后者強(qiáng)得多。代理服務(wù)器的主要目標(biāo)是將標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其主要優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在今后仍能長(zhǎng)期使用，從而保護(hù)用戶的投資。支持這種觀點(diǎn)的是由Profibus國(guó)際組織發(fā)布的Profinet，它包含兩個(gè)概念，即開放的、面向?qū)ο蟮倪\(yùn)行期(Runtime)概念和獨(dú)立于制造商的工程概念。運(yùn)行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(運(yùn)程程序調(diào)用)和DCOM，并對(duì)這些基本機(jī)制進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化，因而它適合于高實(shí)時(shí)性能要求的應(yīng)用領(lǐng)域。工程概念包括建立工程對(duì)象模型，它不僅使用戶能通過不同制造商的組態(tài)工具進(jìn)行開發(fā)，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應(yīng)用專用的擴(kuò)展功能，因此支持在單個(gè)工廠范圍集成不同制造商的產(chǎn)品。
(3) 實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)
IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自動(dòng)化的接口)采用美國(guó)California公司開發(fā)的位于第四層的NDDS實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬范圍強(qiáng)有力的應(yīng)用服務(wù)。IDA的另一個(gè)重要特性是基于Web的設(shè)備管理。所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均有其本身的Web頁(yè)面，包括組態(tài)、操作和診斷參數(shù)，用戶可通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進(jìn)行訪問?；赬ML的設(shè)備描述簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組態(tài)，并支持設(shè)備的互操作性和互換性。IDA位于工業(yè)以太網(wǎng)的第七層，它還定義從第四層到第七層和應(yīng)用接口(API)之間的通信，甚至還包括應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)編程接口，IDA集團(tuán)在2001年的德國(guó)漢諾威博覽會(huì)上公布了其技術(shù)規(guī)范。
1.2 嵌入以太網(wǎng)的I/O
早在1998年，F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動(dòng)化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國(guó)Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器和PC機(jī)工作站集成為一個(gè)高可靠、低成本的實(shí)時(shí)控制的信息網(wǎng)絡(luò)。近年來，一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，舉例如下:
(1) Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網(wǎng) I/O產(chǎn)品，并不斷擴(kuò)展和改進(jìn)其產(chǎn)品，如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品;
(2) National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到以太網(wǎng)的鏈接;
(3) SixNet提供嵌入以太網(wǎng)芯片的I/O模塊;
(4) Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內(nèi)裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品;
(5) Automation 和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網(wǎng)I/O新產(chǎn)品已面市;
(6) GE Fanuc Automation在2000年的美國(guó)國(guó)家周上宣告其所有的自動(dòng)化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的鏈接;
(7) Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品，聲稱是使傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制器能訪問以太網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);
(8) Action公司的子公司Busware公布以太網(wǎng)的E系列I/O模塊，
(9) 現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內(nèi)裝有Web服務(wù)器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠(yuǎn)程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)。
1.3 網(wǎng)絡(luò)就是控制器
德國(guó)Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動(dòng)化系統(tǒng)立意新穎，它是基于100Mbps以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)。
其特點(diǎn)是:
(1) 類似Internet的結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié);
(2) 對(duì)用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個(gè)程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用;
(3) 從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網(wǎng)總線進(jìn)行直接通信;
(4) 可連接到Internet，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全球化聯(lián)網(wǎng);
(5) 以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線，內(nèi)部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來。
1.4 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景
Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert說:“嵌入有以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實(shí)”。這個(gè)預(yù)言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。但從目前的趨勢(shì)來看，已有的現(xiàn)場(chǎng)總線仍將繼續(xù)存在，不太可能退出歷史舞臺(tái)。在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，工業(yè)以太網(wǎng)能占領(lǐng)一定的市場(chǎng)，但它是否能作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)，一時(shí)難作定論，最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)。此外，并非每種現(xiàn)場(chǎng)總線都將被工業(yè)以太網(wǎng)總線所替代，如AS-i、CAN，這兩種現(xiàn)場(chǎng)總線就應(yīng)用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器而言，無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數(shù)據(jù)，且總線可帶電;CAN最多傳輸8個(gè)字節(jié))，還有一些專用總線，如SERCOS(用于數(shù)控，控制運(yùn)動(dòng)軸，為IEC61491國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應(yīng)用領(lǐng)域，均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)。另外，易燃、易爆(如化工、制藥)，以及環(huán)境條件惡劣、可靠性要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合，也不適宜于應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)。
1.5工業(yè)以太網(wǎng)在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)
由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽(yù)，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流技術(shù)。
目前，在國(guó)際上有多個(gè)組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2001年9月，我國(guó)科技部發(fā)布了基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，其研究目標(biāo)是：攻克應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括解決以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等問題，同時(shí)研究開發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。
這幾年來，我國(guó)在攻克以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性、總線供電和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纫幌盗须y題方面已經(jīng)取得了很大的成果。
但是，以太網(wǎng)用于工業(yè)控制目前尚處在研究及解決當(dāng)中，主要有以下問題：
(1) 實(shí)時(shí)性問題；
(2) 可靠性問題；
(3) 安全性問題；
(4) 供電問題。
實(shí)時(shí)性問題是指?jìng)鹘y(tǒng)以太網(wǎng)由于采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)的通訊方式，在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯?？煽啃詥栴}是指以太網(wǎng)若采用UDP協(xié)議時(shí)，它提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)，不提供報(bào)文到達(dá)確認(rèn)、排序以及流量控制等功能，因此報(bào)文可能會(huì)丟失、重復(fù)以及亂序等。這些問題的解決，使以太網(wǎng)能夠滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)鬏斞訒r(shí)要求，加快使其步入工業(yè)控制領(lǐng)域用于現(xiàn)場(chǎng)控制。
（轉(zhuǎn)載）
