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杜品圣（1951－）博士，現任菲尼克斯亞太電氣(南京)有限公司研發技術總監，中國自動化學會專家咨詢委員會委員。
2 工業以太網和工業實時以太網技術的特點
在90年代初期，與計算機技術俱日并進，基于TCP/IP的以太網技術也得到了高速的發展，大舉進入了辦公領域，許多IT領域的領頭企業，如微軟、蘋果、惠普、EPSON等等都采用了IEEE802.3的國際標準，開發了統一的與用戶無關的計算機與外部設備的通信協議和方法，如打印機、掃描機、數碼相機和傳真機等。隨著USB、藍牙的迅猛發展，以太網技術經過多年發展，特別是它在Internet中的廣泛應用，技術更為成熟，并得到了廣大開發商與用戶的認同。因此，無論從技術上還是產品價格上，以太網較之其它類型網絡技術都具有明顯的優勢。基于以太網，TCP/IP的通信技術已成為標準化的辦公通訊技術，無論在商用和個人計算機都采用了這種通信方式。另外，隨著技術的發展，控制網絡與辦公領域的計算機網絡、Internet的聯系更為密切。控制網絡技術需要考慮與計算機網絡連接的一致性，需要提高對現場設備通信性能的要求，因此，基于以太網的通信技術在工業領域里，如制造生產業，設備制造商，工程設計方案都得到了廣泛的重視。采用以太網的通信技術可能帶來的經濟性、靈活性、高速性以及傳輸大量數據的功能，使得原來不少采用現場總線的控制網絡設備的開發者與制造商把目光漸漸的轉向以太網技術，從而形成了工業以太網的概念。可見，工業以太網是辦公領域以太網技術在控制網絡延伸的產物。但是，前者源于后者又不同于后者。簡單地人們是否能將辦公領域以太網技術直接用于工業控制系統中去呢？回答當然是不行了。但是人們認為辦公領域以太網技術直接用于工業控制系統中的主要原因僅僅在于工作環境的不同。如果我們在工業以太網技術與商用以太網（IEEE802.3標準）兼容的前提下，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，即在環境適應性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業現場的需要的話，自然而然改進性的商用以太網的模快就能滿足了工業以太網的要求。因此，一時間，出現了大量的“工業以太網模快”的制造商。其不同價格的幅度大于好幾倍，這給實際使用者在挑選合適的工業以太網模快，構成所需要的工業以太網網絡帶來了不少的困難。是選價格便宜的呢，還是性能高的模快呢，如何按照實際需要構成一個工業以太網呢？非常遺憾的是，在我們對辦公以太網與工業以太網真正區別還模糊不清的時候， 一個所謂“工業實時以太網”新的概念又引起了學術界的廣泛的討論，又產生了工業以太網和工業實時以太網的模糊概念，許多人認為工業以太網就是工業實時以太網。這些概念上的混淆大大影響了以太網技術在工業領域的推廣和應用。現場應用的大量實際問題，如安裝，調試和診斷技術，系統的可靠性，安全性和診斷的可能性，時間需求的確定性等等得不到保證。因此，我們認為掌握以太網，工業以太網和工業實時以太網技術的區別和特點是在工業領域正確應用以太網的前提。
實際上，為了促進以太網在工業領域的應用，本世紀初，國際上成立了工業以太網協會（Industrial Ethernet Association，IEA），工業自動化開放網絡聯盟（Industrial Automation Open Network Alliance，IAONA）等組織（其中，IAONA組織因缺乏資金已于2006年6月自行解散了），目標是在世界范圍內推進工業以太網技術的發展、教育和標準化管理，在工業應用領域的各個層面應用以太網。美國電氣電子工程師協會（IEEE）也正著手制定現場裝置與以太網通信的標準。這些組織還致力于促進以太網進入工業自動化的現場級，推動以太網技術在工業自動化領域和嵌入式系統中的應用。可見，以太網進入工業自動化領域已成為不可阻擋的潮流，下面將大致地介紹一下以太網，工業以太網和工業實時以太網之間的區別，以為使用者帶來些方便。
2.1 工業以太網的特點及其與以太網的區別
對于工業以太網和與以太網之間的區別問題，實際上目前已由不少文章作了分析，但是往往從工作環境的角度講的比較多一些。我們認為工業以太網和商用以太網的最主要的區別是應用場合和應用對象的不同，其主要的區別可以歸納為下面幾點：
* 在一定的場合，通信系統中信息交換必須滿足傳輸速度和確定性的要求；
* 工業以太網必須保證更高的通信系統中穩定性，可靠性，安全性和保密性；
圖1 工業以太網的特殊要求
綜合上面的幾點，比較以太網技術在辦公和工業不同環境下工作的不同點，從上面的對比可以看到，工業以太網源于商用以太網，但是真正要將以太網技術成功地應用工業領域，必須考慮以下不同之點。通過分析此不同點以后，才能找到能夠符合工業工程項目的工業以太網網絡方案。
圖2辦公領域以太網網絡的構成
由于工業以太網與辦公以太網網絡的應用對象的不同，產生了各種特定的要求，在辦公領域的通信系統中，其網絡的構成主要是各種計算機之間的通信，由此產生計算機與外部設備的數據交換的通訊網絡，如計算機與服務器，計算機與網絡打印機，計算機與網絡掃描機，計算機與其他網絡相連的外圍設備以及與因特網的通信。這樣的通信系統如圖2所示。
因此，辦公領域以太網網絡的通信主要是兩者之間的通信，所采用的基本方法是Client/server（客戶機/服務器)機制。客戶是通信的主導者，它發送服務請求，如從服務方下載文件)，或啟動一個命令打印某個文件或要求某個服務方存儲數據等。這些數據處理和交換一般都可以采用通用的因特網的協議，如FTP，HTTP，SNMP，DHCP或者其他基于客戶/服務通信的傳輸方法。這些傳輸的數據量一般在數十個千字節到幾百兆。
在工業應用場合中，構成一個通信網絡的組成部分是非常復雜的。除了需要計算機外，更主要的必須與各種不同類型的控制器（PLC，CNC，IPC），不同類型的變送器（如壓力，溫度，液位，紅外線，位移等變送器），不同類型的執行器（如變頻器，直流調節系統，機器人控制系統，現場總線I/O系統人機界面）同時連接于因特網，通過WEB技術進行遠程監控等。
因此，前面所提及的用于辦公領域以太網網絡的協議將遠遠滿足不了工業以太網的要求，目前，人們正在改進原來的通信協議，已有數種發展成為了國際的新的工業以太網的協議，如PROFINET，EtherNet/IP，Modbus TCP，Ethernet Powerlink，SERCOS III 和EtherCat。這些通信協議都能部分地滿足不同控制領域和應用的要求，關鍵是協議改變了Client/server（客戶/服務）機制，采用了publish-subscribe和producer-consumer通信機制，使得辦公以太網點對點的協議方法變為多點通信方法，而數據量也可從PLC控制系統與現場總線之間幾個字節的傳輸到CNC控制系統與現場驅動系統數兆字節的傳輸。
工業以太網與辦公以太網的一個明顯的區別是對于傳輸時間的要求，相對于辦公以太網來講，一般來講，對時間的要求比較寬裕，一個PDF的文件傳輸晚幾分鐘，因特網上網時間晚了些問題都不大。所有時間的要求都是相對的，同時也不會因為時間的緣故產生人身安全和設備損壞問題。與此相反，以太網應用于工業應用領域則必須考慮這些問題，例如，一個現場信號在什么時間內控制器能夠得到；控制器的命令發出通知后，什么時間內現場執行機構能夠進行工作。不同的應用需要不同的響應和執行時間，這可以是數秒（過程控制）或者微秒級。在工業應用現場中，往往會由于幾微秒的延遲而引起重大的事故，例如，一個高速位置控制系統，由于在通信中丟失了數次現場傳送器的反饋信號，而超越限定極限位置，產生重大事故；由于不能及時得到紙漿厚度的測量信號，使得造紙機生產的紙張厚薄不均，影響了產品的質量。這些事件的發生僅僅在數毫秒內，如果不能及時得到現場監視信息，將會給生產或人身安全帶了不可估量的后果。在工業領域的某些應用中，所要求的數據傳輸持續時間中的抖動（JITTER）值非常小（微秒級）。因此，構成工業以太網網絡的通信技術必須更快速，更具有傳輸的確定性，這是辦公用的以太網技術所不能實現的。
圖3 用于工業領域的以太網網絡的構成
辦公以太網和工業以太網應用環境不同，導致了對其可靠性、穩定性和安全性有不同的要求。辦公以太網是為辦公自動化領域應用而設計的，并沒有考慮工業現場環境的需要（如冗余電源供電直流、高溫、低溫、防塵等），故商用網絡產品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業現場環境中。
隨著網絡技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。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工作的問題，美國Synergetic微系統公司和德國Phoenix Contact、Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。而在IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網可采用光纜傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對重要的網段還可采用冗余網絡技術，以提高網絡的抗干擾能力和可靠性。
在工業生產過程中，很多場合不可避免地存在易燃、易爆或有毒的氣體，對應用于這些場合的設備，都必須采用一定的防爆措施來保證工業現場的安全生產。現場設備的防爆技術包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密和澆封等）和本質安全型。與隔爆技術相比較，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，其關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由于目前以太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在60~70mA（5V工作電源），低功耗的以太網現場設備設計難以設計，因此，在目前技術條件下，對以太網系統采用隔爆防爆的措施比較可行，確保現場設備本身的故障產生的點火能量不外泄，保證運行的安全性。而對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。
另外，工業以太網實現了與Internet的無縫集成，實現了工廠信息的垂直集成，但同時也帶來了一系列的網絡安全問題，包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅問題，對此，一般可采用網關或防火墻等方法，將內部控制網絡與外部信息網絡系統相隔離，另外，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制來加強網絡的安全管理。
2.2 工業實時以太網的特點和與工業以太網的區別
2.2.1 工業控制的實時性要求
工業控制網絡對實時性是有要求的，各級子網對實時性的要求不同，通常越靠底層的子網對實時性要求越高，越靠近上層的子網對實時性的要求越低。實時性通常采用響應時間來定量描述。響應時間是指某一系統對輸入作出響應所需的時間，以ms、s、min，h為計量單位。響應時間很短，就標志著系統的實時性越好。
對于工業自動化系統來說，目前根據不同的應用場合，將實時性要求劃分為3個范圍，它們是：信息集成和較低要求的過程自動化應用場合，實時響應時間要求是100ms或更長；絕大多數的工廠自動化應用場合實時響應時間的要求最少為5~10ms；對于高性能的同步運動控制應用，特別是在100個節點下的伺服運動控制應用場合，實時響應時間要求低于1ms，同步傳送和抖動小于1μs。工業控制網絡的實時性還規定了許多技術指標，如交付時間、吞吐量、時間同步、時間同步精度、以及冗余恢復時間等。
2.2.2 工業以太網的通信確定性
通常，人們習慣將用于工業控制系統的以太網統稱為工業以太網。但是，如果仔細劃分，按照國際電工委員會SC65C的定義，工業以太網是用于工業自動化環境、符合IEEE802.3標準、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制（MAC）網橋”規范和IEEE802.1Q“局域網虛擬網橋”規范、對其沒有進行任何實時擴展而實現的以太網。
工業控制網絡必須滿足對實時性的要求（即信號傳輸要足夠地快）以及信號的確定性。Ethernet過去一直被認為是為IT領域而開發的，Ethernet采用了帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD）以及二進制指數退避算法，它被認為是一種非確定性的網絡系統。對于響應時間要求嚴格的控制過程會存在產生沖突的可能性，造成響應時間不確定，使信息不能按要求正常傳遞，這是阻礙以太網應用于工業現場設備層的關鍵所在。
隨著快速以太網與交換式以太網的發展，為解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，并使這一應用成為可能。主要表現在：
首先，Ethernet的通信速率一再提高，從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕，網絡碰撞幾率大大下降，提高了網絡的確定性。
其次，采用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。交換機之間通過主干網絡進行連接。交換機可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，使本地數據傳輸不占其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。
最后，采用全雙工通信方式。在一個用5類雙絞線（光纜）連接的全雙工交換式以太網中，其中一對線用來發送數據，另一對線用來接收數據，這樣交換式全雙工以太網消除了沖突的可能，使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。
2.2.3 實時工業以太網
到目前為止，可以將工業以太網的實時響應時間做到5~10ms，相當于現有的現場總線。對于響應時間小于5ms的應用，工業以太網已不能勝任。為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業以太網實時性的技術解決方案。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。
在IEC/SC65C/WG11工作組負責制定的IEC61784-2“基于ISO/IEC 8802-3的實時應用系統中工業通信網絡行規”國際標準中包括CPF2 Ethernet/IP、CPF3 PROFINET、CPF4 P-NET、CPF6 Interbus、CPF10 VNET/IP、CPF11 TCNET、CPF12 EtherCAT、CPF13 Ethernet Powerlink、CPF14 EPA、CPF15 Modbus/TCP以及CPF16 SERCOS等11種實時以太網行規集。
（1） 實時以太網通信模型
根據實時以太網實時擴展的不同技術方案，可將實時以太網通信協議模型分為4類，如圖4所示。其中（a）是經過常規最大努力提高實時性，一般工業以太網的通信協議模型；（b）采用在TCP/IP之上進行實時數據交換方案；（c）采用經優化處理和提供旁路實時通道的通信協議模型；（d）采用集中調度提高實時性的解決方案；（e）采用類似Interbus現場總線“集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓撲結構提升以太網實時性能。
實時以太網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互操作問題。互操作性是指連接在同一網絡上不同廠家的設備之間通過統一的應用層協議可以進行通信與互用，性能類似的設備可以實現互換，這是開放系統的特點之一。一般存在著這樣的誤解，即只要采用了工業以太網就能實現設備的互操作，事實并非如此。以太網僅僅映射到ISO/OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層，而在其之上的網絡層和傳輸層協議，目前以TCP（UDP）/IP協議為主。由于不存在統一的應用層協議，以太網設備中的應用程序是專用的，而不是開放的，因此設備還不能實現透明互訪。要解決這一問題，就必須在Ethernet+TCP（UDP）/IP協議之上，制定統一并適用于工業現場控制的應用層技術規范，同時也可參考IEC相關標準，在應用層上增加用戶層。
作者信息：
杜品圣，張 龍（菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號