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1  工業控制網絡的實時性要求

    人們知道，用于工業自動化系統的網絡通信技術來源于IT信息技術的計算機網絡技術，但是又不同于一般的計算機網絡通信，這是因為IT網絡通信是以傳遞信息為最終目的，而工業控制網絡傳遞信息是以引起物質或能量的運動為最終目標。所以，用于測量和控制的數據通信的主要特點是：允許對事件進行實時響應的事件驅動通信；很高的可用性；很高的數據完整性；在有電磁干擾和地電位差的情況下能正常工作；以及使用工廠內專用的傳輸線等。其中，最主要的要求是網絡通信的高實時性。實時（real time）的含義是指數據處理就像發生在數據產生的時刻，其響應沒有大的延時。
    對于工業自動化系統來說，目前根據不同的應用場合，將實進性要求劃分為三個范圍，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。對于這些性能指標都有詳細的規定，如我國制定的“用于工業測量與控制系統的EPA系統結構與通信標準”的國家標準中規定網絡的時間同步精度為8個等級，即：0―無精度要求;1―時間同步精度<1s;2―時間同步精度<100ms;3―時間同步精度<10ms;4―時間同步精度<1ms;5―時間同步精度<100μs;6―時間同步精度<10μs;7―時間同步精度<1μs。

2  工業以太網與實時以太網

    長期以來，由于現場總線爭議不休，互通與互操作問題很難解決，于是現場總線開始轉向以太網。經過近幾年的努力，以太網技術已經被工業自動化系統廣泛接受。眾所周知Ethernet網絡出現于1975年，并于1982年制定成為IEEE 802.3標準的第一版本。1990年2月該標準正式成為ISO/IEC 8802.3國際標準。在這期間，Ethernet從最初10Mbps以太網，過渡到100Mbps快速以太網和交換式以太網，直至發展到今天的光纖以太網和萬兆以太網。可以說，開放的Ethernet是三十年來發展最成功的網絡技術，它是在與IEEE 802.4令牌總線局域網和IEEE 802.5令牌環局域網兩個對手的競爭中脫穎而出的，并導致了一場信息技術的革命。Ethernet網的快速發展和廣泛應用有力地推動了高技術芯片和系統開發，從而大大提高了網絡性能和降低了系統成本。因而，Ethernet每年在世界上的安裝量超過上億個節點。
    通常，人們習慣上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IEEE 802.3標準，按照IEEE 802.1D“媒體訪問控制（MAC）網橋”規范和IEEE 802.1Q“局域網虛擬網橋”規范，對其沒有進行任何實時擴展（extension）而實現的以太網。通過采用減輕以太網負荷、提高網絡速度、采用交換式以太網和全雙工通信、采用信息級和流量控制及虛擬局域網等技術，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。工業以太網在技術上與商用以太網是兼容的。
    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。這些方案建立在IEEE 802.3標準的基礎上，通過對其和相關標準的實時擴展提高實時性，并且做到與標準以太網的無縫連接，這就是實時以太網（Real Time Ethernet，簡稱RTE）。為了規范這部分工作的行為，2003年5月，IEC/SC65C專門成立了WG11實時以太網工作組，該工作組負責制定 IEC 61784-2“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，在該標準中包括：Communication Profile Family 2 Ethernet/IP;CPF 3 PROFINET;CPF4 P-NET;CPF6 Interbus;CPF10 VNET/IP;CPF11 TCNET;CPF12 EtherCAT;CPF13 Ethernet Powerlink;CPF14 EPA(中國);CPF15 MODBUS/TCP和CPF16SERCOS等11種實時以太網行規集。其中，包括我國EPA實時以太網標準的6個新增實時以太網將以IEC PAS（Publicly Available Specification）公共可用規范予以發表。在上述實時以太網技術中，將有六個主要的競爭者：EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP。

3  六種主要實時以太網通信協議分析

  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1所示。

圖1  實時以太網按實時擴展方案分類

    圖1中的①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；②是采用在TCP/IP之上進行實時數據交換方案；③是采用經優化處理和提供旁路實時通道的通信協議模型；④是采用集中調度提高實時性的解決方案；⑤是采用類似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。圖1中同時給出了六種實時以太網技術方案的歸類情況。由于實時以太網技術涉及很多方面，限于篇幅，這里僅對通信協議做簡要論述與分析。
3.1  EPA實時以太網
    EPA（Ethernet for Plant Automation）用于工業測量與控制系統的以太網標準是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化所、重慶郵電學院、大連理工大學、清華大學等單位聯合成立的標準起草工作組起草。
    EPA網絡拓樸結構如圖2所示，它由兩級網絡組成，即過程監控級L2網和現場設備級L1網。

圖2  EPA系統網絡拓樸結構

    現場設備級L1網用于工業生產現場的各種現場設備（如變送器、執行機構和分析儀器等）之間以及現場設備與L2網的連接；過程監控級L2網主要用于控制室儀表、裝置以及人機接口之間的連接。無論是L1網還是L2網，均可分為一個或幾個微網段。
    在EPA系統中，將控制網絡劃分為若干個控制區域，每個控制區域即為一個微網段。每個微網段通過EPA網橋與其它網段分隔，該微網段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進行，而不會占用其它網段的帶寬資源。處于不同微網段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網橋轉發控制。
    為了提高網絡的實時性能，EPA對ISO/IEC 8802.3協議規定的數據鏈路層進行了擴展，在其之上增加了一個EPA通信調度管理實體（Communication Scheduling Management Entity，簡稱EPA-CSME）。EPA-CSME不改變IEC 8802.3數據鏈路層提供給DLS-User的服務，也不改變與物理層的接口，只是完成對數據報文的調度管理。該數據鏈路層模型如圖3所示。

圖3  EPA數據鏈路層模型

    EPA-CSME通信調度管理實體支持：完全基于CSMA/CD的自由競爭的通信調度和基于分時發送的確定性通信調度。對于第一種通信調度，EPA-CSME直接傳輸DLE與DLS-User之間交互的數據，而不作任何緩存和處理。對于第二種通信調度，每個EPA設備中的EPA-CSME將DLS-Use DATA根據事先組態好的控制時序和優先級大小，傳送給DLE，由DLE處理后通過PhLE發送到網絡，以避免兩個設備在同一時刻向網絡上同時發送數據，避免報文碰撞。下面介紹EPA通信調度的具體規程。
    在一個EPA微網段內，所有EPA設備的通信均按周期進行，完成一個通信周期所需的時間T稱為一個通信宏周期。通信宏周期T分為兩個階段，第一個階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn，如圖4所示。

圖4  EPA通信調度示意圖

    在周期報文傳輸階段Tp，每個EPA設備向網絡上發送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過程有關的數據，如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數據。周期報文的發送優先級應為最高。
    在非周期報文傳輸階段Tn，每個EPA設備向網絡上發送的報文包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀寫數據、事件通知、趨勢報告等數據，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP、IGMP等應用數據。非周期報文按其優先級高低、IP地址大小及時間有效方式發送。
    EPA實時以太網標準定義了基于ISO/IEC 8802.3、RFC 791、RFC 768和RFC 793等協議的EPA系統結構、數據鏈路層協議、應用層服務定義與協議規范，以及基于XML的設備描述規范。該規范面向控制工程師的應用實際，在關鍵技術攻關的基礎上，結合工程應用實踐，形成了微網段化系統結構、確定性通信調度、總線供電、分層網絡安全控制策略、冗余管理、三級式鏈路訪問關系、基于XML的設備描述語言等方面的特色，并擁有完全的自主知識產權。目前，EPA已有多種產品，包括基于EPA的變送器、執行器、現場控制器、數據采集器、遠程分散控制站、無紙記錄儀等產品，基于EPA的分布式網絡控制系統已在化工廠得到成功應用。
3.2  Ethernet/IP實時以太網
    Ethernet/IP實時以太網技術由ControlNet國際組織CI、工業以太網協會IEA和開放的DeviceNet供應商協會ODVA等共同開發的工業網絡標準。
    Ethernet/IP實時擴展成功之處在于TCP/IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），在應用層進行實進數據交換和運行實時應用，其通信協議模型如圖5所示。

圖5  Ethernet/IP通信協議模型

    CIP的控制部分用于實時I/O報文或隱形報文。CIP的信息部分用于報文交換，也稱作顯性報文。ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP都使用該協議通信，三種網絡分享相同的對象庫，對象和裝置行規使得多個供應商的裝置能在上述三種網絡中實現即插即用。Ethernet/IP能夠用于處理多達每個包1 500個字節的大批量數據，它以可予報方式管理大批量數據。
    2003年ODVA組織將IEEE 1588精確時間同步協議用于Ethernet/IP，制定了CIPsync標準以進一步提高Ethernet/IP的實時性。該標準要求每秒鐘由主控制器廣播一個同步化信號到網絡上的各個節點，要求所有節點的同步精度準確到微秒級。為此，芯片制造商增加一個“加速”線路到以太網芯片，從而將性能改善到500毫微秒的精度。由此可見，CIPsync是CIP的實時擴展。
3.3  Modbus-IDA實時以太網
    Modbus組織和IDA（Interface for Distributed Automation）集團都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互連網技術的分布式智能自動化系統，為了提高競爭力，2003年10月，兩個組織宣布合并，聯手開發Modbus-IDA實時以太網。

圖6  Modbus-IDA通信協議模型

    Modbus-IDA實時擴展的方案是為以太網建立一個新的實時通信應用層，采用一種新的通信協議RTPS（Real-Time Publish/Subscribe）實現實時通信，該協議的實現則由一個中間件來完成。Modbus-IDA通信協議模型如圖6所示，該模型建立在面向對象的基礎上，這些對象可以通過API應用程序接口被應用層調用。通信協議同時提供實時服務和非實時服務。非實時通信基于TCP/IP協議，充分采用IT成熟技術，如基于網頁的診斷和配置（HTTP）、文件傳輸（FTP）、網絡管理（SNMP）、地址管理（BOOTP/DHCP）和郵件通知（SMTP）等；實時通信服務建立在RTPS實時發布者/預訂者模式和Modbus協議之上。RTPS協議及其應用程序接口（API）由一個對各種設備都一致的中間件來實現，它采用美國RTI（Real-Time Innovations）公司的NDDS 3.0（Network Data Delivery Service）實時通信系統。RTPS建立在Pubilsh/Subscribe模式基礎上，并進行了擴展，增加了設置數據發送截止時間、控制數據流速率和使用多址廣播等功能。它可以簡化為一個數據發送者和多個數據接收者之間通信編程的工作，極大地減輕網絡的負荷。RTPS構建在UDP協議之上，Modbus協議構建在TCP協議之上。
3.4  PROFINET實時工業以太網
    PROFINET實時工業以太網是由Profibus International（PI）組織提出的基于以太網的自動化標準。從2004年開始，PI與Interbus Club（Interbus總線俱樂部）聯手，負責合作開發與制定標準。PROFINET構成從I/O級直至協調管理級的基于組件的分布式自動化系統的體系結構方案，PROFIBUS技術和INTERBUS現場總線技術可以在整個系統中無縫地集成。
    PROFINET已有三個版本，在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE 802.1D和IEEE 1588進行實時擴展的技術方案，并對不同實時要求的信息采用不同的實時通道技術。PROFINET通信協議模型如圖7所示。

圖7   PROFINET通信協議模型

    從圖7中可以看出，PROFINET提供一個標準通信通道和兩類實時通信通道。標準通道是使用TCP/IP協議的非實時通信通道，主要用于設備參數化、組態和讀取診斷數據。實時通道RT是軟實時SRT（Software RT）方案，主要用于過程數據的高性能循環傳輸、事件控制的信號與報警信號等。它旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。為優化通信功能，PROFINET根據IEEE 802.1p定義了報文的優先級，最多可用7級。實時通道IRT采用了IRT（Isochronous Real-Time）等時同步實時的ASIC芯片解決方案，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間，特別適用于高性能傳輸、過程數據的等時同步傳輸、以及快速的時鐘同步運動控制應用，在1ms時間周期內，實現對100多個軸的控制，而抖動不足1μs。
3.5  Ethernet PowerLink實時以太網
    Ethernet PowerLink由奧地利B&R公司于2001年開發，并在2002年成立了EPSG（Ethernet PowerLink Standardigation  Group）組織。EPSG的戰略伙伴有CIA/CANOpen，這是設備級通信協議和行規的用戶集團以及IAONA工業自動化開放網絡體系結構集團等。
    PowerLink協議對第3和第4層的TCP/UDP/IP棧進行了實時擴展。增加的基于TCP/IP的Async中間件用于異步數據傳輸，Isochron等時中間件用于快速、周期的數據傳輸。PowerLink通信協議模型如圖8所示。

圖8  PowerLink通信協議模型

    從圖8可看出， PowerLink棧控制著網絡上的數據流量。Ethernet PowerLink避免網絡上數據沖突的方法是采用SCNM（Slot Communication Network Management）時間片通信網絡管理機制。SCNM能夠做到無沖突的數據傳輸，專用的時間片用于調度的等時同步傳送的實時數據；共享的時間片用于異步的數據傳輸。在網絡上，只能指定一個站為管理站，它為所有網絡上的其它站建立一個配置表和分配的時間片，只有管理站能接收和發送數據，其它站只有在管理站授權下才能發送數據。為此PowerLink需要采用基于IEEE 1588的時間同步。
3.6  EtherCAT實時以太網
    EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）由德國Beckhoff公司開發，并得到ETG（EtherCAT Technolgy Group）組織的支持。EtherCAT是一個可用于現場級的超高速I/O網絡，它使用標準的以太網物理層和常規的以太網卡，媒體可為雙絞線或光纖。
    Ethernet技術用于現場級的最大問題是通信效率低，用于傳送現場數據的Ethernet幀最短為84字節（包括分組間隙IPG）。按照理論計算值，以太網的通信效率僅為0.77%，Interbus現場總線的通信效率高達52%。于是，EtherCAT采用了類似Interbus技術的集總幀等時通信的原理，如圖9所示。EtherCAT開發了專用ASIC芯片FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）用于I/O模塊， 這樣一來，EtherCAT可采用標準以太網幀，并以特定的環狀拓樸發送數據，在FMMU現場總線存儲器管理單元的控制下，網絡上的每個站（或I/O單元）均從以太網幀上取走與該站有關的數據，或者插入該站要輸出的數據。EtherCAT還通過內部優先級系統，使實時以太網幀比其它數據幀有較高的優先級。組態數據只在實時數據的傳輸間隙期間傳送或通過專用通道傳送。EtherCAT采用IEEE 1588時間同步機制實現分布式時鐘精確同步。從而使EtherCAT可以在30μs內處理1 000個開關量，或在50μs內處理200個16位模擬量，其通信能力可以使100個伺服軸的控制、位置和狀態數據在100μs內更新。

圖9   EtherCAT集總幀等時通信

4  實時以太網技術將進一步延伸

4.1  實時以太網向傳統的運動控制領域延伸
    過去，運動控制領域一直使用由IGS集團開發的專用現場總線SERCOS（Serial Real-time Communication System）接口。近來，由于實時擴展技術的突破，實時以太網已延伸至運動控制領域，從而成為能覆蓋整個工業自動化領域的網絡技術。與此同時，SERCOS串行實時通信系統也將發展為SERCOS-Ⅲ第三代串行實時通信系統，成為SERCOS實時以太網。由于SERCOS-Ⅲ采用TDMA（Time Divison Multiplex Access）時間片通信機制，所以SERCOS-Ⅲ實時以太網的實時性在運動控制領域仍處于領先水平。
4.2  實時以太網通過無線通信技術延伸
    近年來，大量商業領域的無線技術正在移植到工廠級應用。無線應用已經成為工業以太網強有力的延伸手段。這是因為在一些條件苛刻的現場會有無法布線的區域，另外在高速旋轉設備和工業機器人等應用中無法使用有線網絡，還有一些現場使用無線方案反而可以節省時間、材料及人工。目前，無線方案基于三個無線協議，它們是：IEEE 802.11無線局域網協議，該標準使用CSMA/CA載波偵聽多路訪問/沖突防止技術，工作于2.4GHz頻段，其物理層有跳頻擴展頻譜（FHSS）方式和直接序列擴展頻譜（DSSS）方式；IEEE 802.15.1藍牙協議，它采用高速跳頻、短分組及快速確認方式，其載頻選用2.45GHz ISM頻帶；以及IEEE 802.15.4 Zigbee技術，它是一種近距離、低功耗、低速和低成本的雙向無線技術，物理層基于DSSS方式，工作于2.4GHz和868/915MHz頻帶。我國EPA實時以太網國家標準包括了上述前兩種無線通信。
    在EPA標準中規定通過一個局域網接入點（AP）將IEEE 802.11局域網與EPA網絡相連；同時規定，在RFCOMM上采用PPP的局域網接入方式，將藍牙無線設備與EPA網連接。
4.3  “e網到底”的三個技術方案
    長期以來，有一種意見一直認為以太網不可能進入控制系統現場級，理由是以太網在技術上存在實時性、通信效率、總線供電和本質安全等障礙。現在看來，上述前三個問題已經很好解決，本質安全技術也將于2006年完成開發工作，所以Ethernet還將繼續向下延伸。
(1)  EtherCAT實時以太網使用的方案
    以太網技術最近的一個新進展是向機箱級的“背板總線”延伸。EtherCAT利用這一技術開發了用于現場控制柜的E-bus，I/O機箱的第一個模塊使用總線耦合器，該耦合器將標準的雙絞線或光纜電氣信號轉換為E-bus信號，I/O模塊之間信息通過E-bus傳送。E-bus是基于LVDS（Low Voltage Differential Signal）信號傳輸，傳送距離為10米。這樣一來，以太網幀可以不受影響地傳送到I/O輸入的端口，從某種意義上講，以太網已經延伸到現場設備級。
(2)  美國IEEE 1451技術方案
    IEEE 1451《用于傳感器和執行器的智能轉換器接口》標準，它在控制網絡和傳感器之間定義一個標準接口，通過一種稱作管道的簡單傳遞機構，使用Ethernet傳送他們的報文，這種方法簡單可行，現場裝置保持不變，只需一個專用ASIC的Ethernet網絡接口取代原來的驅動器就可以完成與以太網的連接，從而使用網絡傳感器成為工業以太網系統現場級的數字傳感器。
(3)  EPA實時以太網采用的方案
    從圖2中可以看出，EPA由過程監控級網和現場設備級網構成。現場設備網分置于控制現場，控制現場可劃分為若干個控制區域，各個控制區域內相關的諸如變送器、執行器和現場控制器等現場設備均通過EPA網絡連接在一起，按照組態，相互進行協調工作，從而完成一定的控制功能。
    每個控制區域內的EPA子系統由EPA現場控制器、EPA-HUB、EPA變送器和EPA執行器等組成，通過EPA現場設備通信模塊可實現相互之間的通信，并可獨立完成控制系統中某一部分的測量與控制功能。EPA現場設備通信模塊通過EPA現場設備網供電。目前，EPA正在研制用于現場設備通信模塊的專用ASIC芯片。
    在世界各國研發機構的共同推動下，以太網技術獲得極其快速的發展，關鍵技術正逐個被攻破，工業現場環境的安裝應用將被解決。隨著初期研發投資被消化以后，工業以太網相對于現場總線的性價比優勢將逐漸凸現。人們相信，從現在開始，就將會出現工業以太網和實時以太網迅速推廣應用的局面。