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資訊頻道彭 瑜
1 以太網技術快速發展
信息技術正在如火如荼地推動各行業的發展，這就為以太網技術進一步的高速發展注入了強大的推動力。10Mbps的以太網傳送1 518字節需要的時間不大于1.2毫秒，而1 000 Mbps的以太網只要用12微秒。在以太網上傳輸多媒體信息（圖象/聲音）要求時延不大于20~30毫秒。
隨著百兆網(100Mbps)、千兆網(1Gbps)的普遍使用，現在萬兆網(10Gbps)業已問世。萬兆網的標準IEEE 802.3ae《10Gbps操作運行的介質存取控制參數、物理層和管理參數》（Media Access Control Parameters，Physical Layers and Management Parameters for10Gbps Operation）已于2002年6月18日正式頒布[1]。它為以千兆網為光纜、全雙工主干網的升級，提供了直接的途徑。萬兆網可用于LAN、WLAN和MAN（城域網，因采用單模光纜其長度可達40公里）。IEEE關于以太網實時能力的標準IEEE 802.1D/P 以及關于交換式以太網技術的標準IEEE 802.1Q，早在1998年年底就已得到驗證。利用集線器Hub實現以太網冗余的技術已經成熟。除用雙絞線傳輸信號外，還利用另一對雙絞線供電的以太網標準IEEE 802.3af也正在制定中，目前非正式文本已經公布。
為適應多媒體通信的要求，以太網TCP/IP的數據幀由原來的1 518字節增加至1 522字節，這4個字節中有3位用來定義聲音、圖像、數據文件和e-Mail在傳輸中的優先權，還有12位用作虛擬局域網（VLAN）的識別碼[2]。
由于以太網是一種規模可大可小的網絡技術，通過對網絡進行網段細分(micro-segmenting)，即全雙工端口交換，可以用一種簡單的方式向用戶提供他們所需要的帶寬，并且平衡所有網絡用戶和網絡設備的帶寬需求[3]。因此，解決了以太網的實時通信要求，保證了通信的確定性。這就為以太網技術用于工業控制和管理創造了前提條件。
以上這些都說明已經成熟的以太網技術還在向新的應用領域擴展。美國自動化研究公司ARC預計，第二次以太網革命將在從現在起的幾年內完成。
在信息技術的推動下，從控制系統到管理系統正在迅速走向一體化。ABB公司打出Industrial IT的旗號， Siemens公司提出的TIA（Total Integration Automation )，Rockwell Automation公司強調的電子制造e-Manufacturing，無一不是與以太網技術相聯系的。采用以太網技術，利于實現徹底的分散控制，可以實現遠程診斷和遠程維護，使以萬維網為基礎的所有手段可毫不費力地移植到管控一體化系統中。采用以太網技術和TCP/IP，可以完美地解決橫向通信及縱向通信在物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層采用統一的通信協議的問題。
不少人向往以太網“一網到底”，即在信息層、控制層和現場層之間的縱向通信，以及在同一層（特別是現場層）之間各節點的橫向通信，都采用以太網技術，也在實施不同的技術解決方案。目前它的進展如何，發展的趨勢可能是怎樣的，這是本文想探討的。
2 以太網的時間確定性的解決
在工業控制系統中，通信網絡的時間確定性是指通過網絡傳送的數據必須在預先確定的時間內從源傳送到目的地。如果在一個現場總線控制系統中，PID調節模塊經由總線從現場變送器采集測量數據，再將運算結果傳至調節閥，而筆者設定的采樣時間是確定的，且不受網絡傳送其它數據的影響，這樣就能保證PID調節回路以預先規定的固定周期完成對該參數的控制。對于這種有實時控制要求的系統，通常要求網絡從某一節點到另一節點的時間延遲要小于2~4ms。按照Siemens的觀點，自動化領域多年的經驗表明，實時通信的刷新時間和響應時間必須在5~10ms的范圍內[4]。所謂刷新時間可理解為從設備A的應用程序產生一個變量，通過通信線傳遞給對等設備B，再到設備B的應用程序可使用該變量為止所需的時間。
以太網采用CSMA/CD協議，其解決通信沖突的方法本質上不具有通信確定性的特性。因為在某一個節點搶先獲取發送權后，其它需要發送的節點只好等待，不斷地去偵測網絡是否不忙，僅當偵測到不忙時才可能去搶占發送權。這個等待時間是隨機的，不存在時間確定性。但以太網的高傳輸速率是其它網絡難以比擬的，為解決其時間確定性提供了良好基礎。
目前有幾種可行的方法解決這個問題：
(1) 把網絡負載安排在合理的輕載范圍（例如30%以下），這樣由于通信沖突而產生的時間延遲可保持在2 毫秒以下。如Foxboro的I/A DCS系統的節點總線只允許掛32個節點，比標準IEEE802.3規定的掛1 024個節點顯著地少，就是這個原因。
(2) 采用星型拓撲結構的、具有交換功能的智能式集線器。掛在該網絡上的每一個節點設備常駐于其自身的網段，而所有的網段均連接到交換式集線器上。該集線器提供緩沖存儲器，并具有偵測哪個網段需要傳輸數據的功能。這樣雖然通信存在延遲（不大于1毫秒），但通信沖突減至最低程度，從而可以達到通信確定性的要求。Hirschmann公司的Railswitch 系列就是這類網絡產品。
(3) 使用全雙工（Full-Duplex）通信模式。
(4) 采用虛擬局域網（VLAN）技術。
與傳統的共享式以太網相比，交換式以太網雖然在形式上也是星型結構，但卻有本質的不同（如圖1）：共享式以太網的構造與功能僅為一種物理層中繼器，因此在邏輯上仍可被認為是具有多個連接點的公共總線。換言之，連接到公共總線上的各節點服從CSMA/CD介質訪問方式進行收發，所以難以避免沖突。而交換式集線器允許同時提供多個傳輸路徑，這意味著掛在該網絡上的設備不再共享帶寬，顯著地改善了傳輸能力。
圖1 由交換式集線器組成的系統，每個端口就是一個沖突域
當然，正常工作時1個端口不能同時向1個以上端口發送數據幀（廣播或組播例外），1個通道也不能同時進行雙向數據傳輸（全雙工數據傳輸例外）。各端口之間的信息流是被隔離的，僅當兩端口之間的通信通道建立，才可交互傳輸。由此可見，由交換式集線器組成的系統，每個端口就是一個沖突域，各沖突域間由交換器進行隔離，并實現各沖突域的連接和數據幀的傳輸。這樣，交換器各端口之間可同時形成多個數據通道，數據幀的輸入/輸出已不再受CSMA/CDE介質訪問控制協議的約束。
如果一個10Mbps的共享式以太網掛40個節點，那么每一個節點被分配到的平均帶寬是0.25Mbps。若把這40個節點用以太網交換器平均分隔為8個網段，每個網段上5個節點與共享式集線器相連，此時這8個網段將分別占有10 Mbps的帶寬，而每個節點平均帶寬相應增加到2 Mbps，是共享式以太網的8倍。顯然，交換式以太網的網絡性能得到了很大提高。
工業以太網交換器兼容于商業以太網交換器，為滿足工業實際要求還應考慮諸多方面：
R 采用數據幀交換（直通交換、存儲轉發）；
R 主要現場控制設備獨占一個端（10/100Mbps），監控計算機和服務器獨占一個高速端口或采用集合端口（100/1 000 Mbps）；
R 主干線連接介質應為100/1 000Mbps光纜；
R 交換器的總交換能力滿足各端口處理能力需求的總和；
R 雙電源熱備；
R 若有冗余要求，應考慮設備冗余熱切換。
3 工業控制實時通信網絡必須處理的數據流的類型
在工控網絡中所處理的數據流主要可分為兩類：
Ø實時數據
Ø非實時數據(包括文件、程序）
其中，實時數據又可進一步分為以下五種：
v 信號
v 命令
v 狀態
v 事件
v 請求
工業控制的實時通信網絡必須處理的數據流的類型有：
v 信號：傳感器和變送器的測量值屬于信號類，其特征是有效壽命很短，不斷地被改變和刷新。
對于若干重要信號，要求以足夠快的速度采集最新值，這比不漏掉采集每一個值更顯必要。
典型的信號數據流有以下不同的要求：
? 要保證其實時性質的信號，即這類信號的時間是最為關鍵的（time critical）；
? 信號具有等冪性質（idempotent），可接受重復刷新；
? 信號的當前值最為重要，最新信息比重發已丟失的采樣值更重要。
“Time-critical”是“以時間為關鍵因素”的意思，用來描述一種具有時間窗口的應用。即在該時間窗口內，要求以確切定義的確實性水平，完成1個或多個規定的動作。如果在這個時間窗口內沒有完成規定的動作，將會引發使用的風險，甚至會引發危及設備，危及工廠，乃至危及操作人員的生命的風險。這就是工業通信系統的實時性為什么要使用“以時間為關鍵因素”這個詞的原由，也是工業通信系統在對實時性的要求方面區別于一般信息通信系統的顯著特點。
v 命令：許多實時系統必須處理一系列指令或命令。
命令數據流要求每一個命令按其先后順序可靠傳送一次，而且只能傳送一次。命令的傳送沒有時間確定性的要求，但不能丟失任一個命令，同時一個命令只能執行一次，不能執行兩次。
v 狀態：狀態表示當前的狀況或目標，一般來說對狀態數據流的要求沒有像對信號或命令數據流那么嚴格。狀態通常會保持一段時間；它不是只能傳送一次的關鍵參數，因此可以重發。
同時，它可能是有時間確定性要求的，也可能沒有這個要求；它可能要求可靠傳送，也可能沒有這個要求。
v 事件：事件使當前的任務與外部操作之間同步。譬如當傳感器測得的參數到達其下限，此事件應立即啟動某個任務的執行。事件數據可以伴隨相應的其它數據，也可以僅僅是開關量的數據。事件數據流往往對時序的要求最為關鍵，還要求足夠高的可靠性。
v 請求：實時應用常常需要發出對數據的特定請求。請求包括兩部分通信，即客戶向服務器發送請求，以及服務器的返回響應。
弄清了通過通信傳輸的信息的性質，接著就要把注意力轉向采用怎樣的機制來滿足分布式通信的要求。這里有三個關鍵問題要注意：
信息從哪里產生？
要把產生的信息發往何處？
在何時可以在哪里得到這些信息？
4 三種主要的通信結構
在現代通信技術中，有三種主要的通信中間件結構：
w 點對點（peer-to-peer）
w 客戶/服務器（client/server）
w 發布方/預訂方（publisher/subscriber）
根據不同的通信要求，選擇不同的通信結構。
4.1 點對點的通信結構
點對點通信是最簡單的形式。舉例說，利用有線電話進行通信就是采用點對點的方式進行通信。一旦建立連接，就有一個適當的高帶寬與對方交談。如果用戶要求在同一時間與多個節點交談，點對點方式就不能滿足這種要求。因為有線電話通信本質上屬于點對點通信。
在20世紀70年代，TCP被設計成為點對點的網絡協議：
v 它支持高帶寬，但若要求帶很多個交互式節點，就顯得很笨拙。
v 它支持高可靠性，萬一數據包丟失可通過重發予以糾正。但重發的次數和頻率卻是全局的系統參數，應用程序難以控制。因此對于實時控制，TCP是不能滿足要求的。
另外，TCP不是確定性的。每次建立連接都要求專門的資源，需要花費許多時間；判斷是否分配那些資源也要花費不同的時間。再則，高性能的傳輸需要點對多點的通信。由于每次連接都要花費建立時間和分配時間來維持資源，對于所增擴的數據分發，TCP不能取得很好的平衡。
4.2 客戶/服務器（C/S）通信結構
客戶/服務器網絡可以有幾個服務器節點，同時還可以把這些服務器節點連接到很多個客戶節點去。對于客戶的程序服務器有幾個中間件技術可用，如CORBA、HTTP、DCOM，以及OPC等。
若信息集中在一個節點，例如在數據庫、集中文件服務器、商務交易處理系統等，采用客戶/服務器通信結構可提供優質的通信性能。
如果信息不是集中產生的，而是在多個節點上產生的，使用客戶/服務器的通信結構其通信效率就很低。這是因為它要求所有的信息先發送到服務器上，隨后再分配到客戶中去。這樣做給通信系統帶來難以估計的延遲，客戶并不能知道需要多少時間它一定能收到信息。另外，客戶/服務器的中間件技術是在TCP的上層運用的，因此會導致前面提到的那些問題。
顯而易見，客戶/服務器的通信結構并不是一種理想的分布式實時通信系統。
4.3 發布方/預訂方的通信結構
發布方/預訂方模型是復雜的分布式應用的首要方法。其中間件特別注重網絡編程和消息傳送的事務，極大簡化了企業的應用開發和因特網應用。中間件軟件商業化的目標是對準銀行、期貨和證券交易等大宗分布式系統的，它不能滿足工業控制的實時通信網絡對確定性、容錯、魯棒性和數據傳送控制的要求。當然，工業控制的分散、實時應用環境，也可充分利用發布方/預訂方模型。但需專門開發適用于工控網絡的中間件軟件。
發布方/預訂方支持很多節點之間的直接而快速的數據傳輸。其通信網絡能操作處理復雜的信息流模式，將信息從接收器中分離出來。一個發布方/預訂方的中間設備層能操作網絡連接、故障和信息交換，并排除特殊情況。
發布方/預訂方的通信結構應該是一個或多個數據源（即發布方）向多個數據接收點（即預訂方）發送數據的最佳的解決方案。
發布方/預訂方的中間件結構代碼，提供對節點的簡單存取，只要告知需要什么信息（預訂），隨后系統便會按節點的需要把信息傳送給它。使用發布方/預訂方的通信結構，節點可預訂它需要的數據，發布它產生的信息。在各通信節點之間形成點對點的直接通信。對于傳送大量其時間是最為關鍵的因素的實時數據的通信，運用發布方/預訂方的通信是最合適不過的。
發布方/預訂方的通信結構具有以下技術特點:
v 明晰的說明和明確的傳送通信按三步進行：
a 發布方說明要發布信息；發布方知悉預訂方的集合。
b 預訂方說明需要此信息；預訂方相互之間并不知悉，僅知道自己是從哪個或哪些發布方接收數據的。
c 發布方發送信息。
v 命名發布 發布方/預訂方的通信結構采用命名式分發數據。每一個發布信息都賦予一個標題和一個類型。標題是發布方用的名字，同時又是預訂方建立的一個邏輯數據通道。類型描述數據格式。大多數發布方/預訂方的通信結構支持隨機的、由用戶定義的類型，并可在不同的計算機體系結構之間進行類型的自動轉換。
v 支持多點對多點的通信 發布方/預訂方的通信結構允許從一個發布方同時向多個預訂方發布同樣的信息。不同的發布方也可以說明相同的標題，這樣一來訂了同一個標題的預訂方就可以從多個發布方得到信息。發布方/預訂方模型的靈活性使開發者很容易實現復雜的多點對多點的分布式通信方案。
v 事件驅動的傳輸 發布方/預訂方的通信本身就是事件驅動的，只要發布方準備就緒就發送信息。在此信息到達之時，預訂方就收到了通告。
• 中間件
發布方/預訂方的服務一般都是通過中間件進行的，中間件通常處于操作系統網絡接口的頂端，起著應用編程接口的作用。中間件處理三種基本的編程事務：
v 維護發布方向預訂方映像的數據庫，結果是在發布方與預訂方之間形成每一次發布的邏輯數據通道。
v 發布方將數據送往網絡時予以串行化，從網絡送往預訂方時再變換為并行形式的數據，從而使發布方與預定方的平臺的差異得以協調。
v 傳送所發布的數據。
v 多點對多點的連接。
發布方/預訂方的通信結構為要求實時的應用提供明顯的優點：
a 由于點對點連接的直接傳輸在帶寬和延遲這兩方面都很有效，所以這種通信結構對分布式數據提供了最佳的傳送；
b 由于發布方/預訂方的通信結構提供多點對多點的連接，所以它對復雜的分布式應用尤其理想；
c 由于發布方/預訂方的通信結構并不要求組態，所以它可以動態地增減節點和數據流。
以上所述都是發布方/預訂方的通信結構在一般的應用中表現出來的優點。但在實時應用中它還凸現出下面的功能：
傳送時序控制 對時序進行控制是實時應用所必須的。譬如許多預訂方需要在規定的時間幀內得到相關信息，而發布方需要規定信息要保持多長時間才是有效的。
可靠性控制 在實時應用中必須對可靠傳送與時間確定性要求這二者之間具有折衷選擇的能力。事實上不同的數據通道往往有不同的需求。不同的預訂方可以有不同的可靠性要求。
請求-應答 在復雜的實時應用中通常會對數據或動作有所請求，一般的發布方/預訂方的語義中對此不能很好適應。
發布方/預訂方的通信在以下方面還存在一定的局限性，目前正在設法改進：
缺少靈活的傳送帶寬 每個預訂方的帶寬要求是不一樣的，甚至對于同一個發布信息，各預訂方所要求的帶寬也有所不同。
缺少容錯 實時應用通常要求熱備的發布方和服務器。
缺少對線程中斷的知情 實時通信通常必須在不影響發布方和預訂方的線程進行。
加強有選擇的退化 每個實時邏輯數據通道必須保護自己不受其它通道的影響。這就是說，某個發布方由于丟失信息、網絡擁塞或CPU過載而產生故障或速率下降，不應影響預訂方從其它的發布方接收信息。
加強魯棒性 通信層不應將任意一個節點的故障引入應用層。
改善動態可伸縮性 實時分布式應用的生命周期通常超過任意一個發布方或預訂方的生命周期，因此在任意時刻都可以增加或拆消發布方和預訂方。
提高效率 實時系統要求高效率的數據采集和傳送。對于關鍵的數據傳送路徑，其延遲應該降至最小。
5 工業以太網的興起
工業以太網也在迅速發展中。針對現場自動控制系統的要求，結合一定的產品，現在已經發布的工業以太網的協議主要有以下幾種：
Modbus TCP/IP（Schneider，1998）
Interbus（Phoenix，1999）
EtherNet/IP（ODVA，1999）
IDA（Vendor Alliance，2000）
HSE（Foundation Fieldbus，2000）
ProfiNet（Profibus，2001）
除了Interbus在物理層和數據鏈路層仍沿用它原有的現場總線協議，而在網絡層和傳輸層采用TCP/IP，傳輸信息時采用拆包法外，其它均在物理層和數據鏈路層采用IEEE 802.3標準以太網協議。
一些組織按照工業控制的要求，發展適當的應用層協議，使以太網和TCP/IP技術真正能延伸至現場層。關注現場層和工廠應用以太網技術的組織主要有[5]：
R IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance，工業自動化聯網聯盟)，目的是在工廠層推動以大網的應用。
R IDA（Interface for Distribution Automation，分布式自動化接口組織)，這是一個主要以歐洲企業為主導的組織。
R ODVA（Open DeviceNet Venders Association, 開放DeviceNet供應商協會)，這是美國Rockwell Automation公司將其專有的總線定位為開放性總線的重要步驟。
6 工業以太網的發展現狀
(1) IDA是一種完全建立在以太網基礎上的工業以太網規范，它將一種實時的基于Web的分布自動化環境與集中的安全體系結構加以結合，目標是創立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案。作為一個單純的工業以太網協議，IDA涵蓋自動化結構中所有層次，包括設備層。它曾致力于開發一個供機器人、運動控制和包裝用的目標/功能塊庫。這些應用與PLC的控制的顯著差別在于它們要求微秒級的同步（PLC的控制只要求毫秒級的確定性）。IDA通過因特網協議在以太網總線上用RTI（Real Time Innovations）公司的中間件NDDS來實現微秒級的實時性。據了解，NDDS所采用的協議建立在發布方/預訂方模型上，與FF沒有太大的差別。
基于下面兩個理由，2002年IDA宣布它已決定與Modbus用戶組織緊密合作，將Modbus納入IDA中，作為自動化應用中以太網通信的一個準（quasi）標準[5]。
☆ Modbus TCP/IP是當前在設備層中現成的應用最廣，且具有滿足IDA最低相容級的以太網標準，它還是其它向上兼容的基于C/S（客戶機/服務器）和P/S（發布方/預定方）模型的選項。
☆ 由于IDA具有一個應用普遍、而協議均公開不用花太多錢的協議棧，因此，在許多性能要求不高的低端設備中IDA將會是一個很有競爭力的工業以太網標準。
BootP-Bootstrap Protocol，（因特網）自引導協議
DHCP-Dynamic Host Configuration Protocal，[TCP/IP]動態主機配置協議
圖2 IDA的協議堆棧
Modbus TCP/IP將與FTP或HTTP一樣在其公共的操作系統中作為一個標準，Modbus將占端口502―前1 000個已定義的端口中的一個。由于Modbus TCP/IP是完全透明的，所以很好地符合IDA如圖2所示的IDA協議建立在組件的基礎上[6]，該組件包括了IEC 61449的第一部分體系結構功能塊標準，但用IDA的體系結構替代了IEC 61499的模型。除了支持以太網TCP、UDP和IP有關的Web服務的完整套件外，IDA協議規范還包括：
☆ 基于RTI公司的中間件NDDS（網絡數據傳送服務）的RTPS（實時發布方/預訂方）；
☆ Modbus TCP/IP作為工業因特網消息傳輸協議；
☆ IDA通信目標庫；
☆ 實時和安全API。
(2) ODVA除了擁有DeviceNet 和ControlNet，還控制另一個總線Ethernet/Industrial Protocol（Ethernet/IP），它把處于應用層和用戶層的DeviceNet 和ControlNet的目標庫CIP（Control and Information Protocol，包含了所有經典的PLC運算），與以太網物理介質捆綁在一起。這就是說，Ethernet/IP、DeviceNet 和ControlNet三位一體共享一個目標庫，該目標和設備行規（device profiles）使之可能形成凡是掛在這三個網絡上、且來自不同供應廠商的復雜設備之間，實現即插即用的可互操作性[7]。這些目標的定義是嚴格的，而且支持在同一網絡中傳輸實時I/O信息、進行組態和診斷。這意味著用戶可以不需要自行編制用戶程序，便可將各種不同類型的設備連在一個網絡中。作為一個與介質無關的協議，CIP還可進一步與FireWire或無線網絡捆綁起來。
Ethernet/IP除了提供控制網絡的各種基本服務外，還提供了許多優良的性能，包括2ms的刷新時間、與其它網絡通信的路徑指向能力、附加于程序上裝/下載和傳送消息的I/O控制，以及幾種I/O交換選擇，如查詢、循環和改變狀態等。
圖3 在Ethernet/IP中使用UDP/IP和TCP/IP
允許傳送信息（顯性）和控制I/O消息（隱性）
Ethernet/IP與其它工業以太網協議不同之處，在于它應用了標準的TCP/IP和UDP/IP以太網標準協議去壓縮網絡消息，這便允許實時I/O（隱性）消息傳送和信息（顯性）傳送。這些同時組合了隱性和顯性的消息傳送，使Ethernet/IP具有以下性能：
☆ 易于對控制器和設備進行編程和組態；
☆ I/O數據傳送快速而準確；
☆ 報警和設備同步的廣播能力；
☆ 可在任何地點對所有設備作故障查尋和精確整定。
由于Ethernet/IP應用以太網技術提供實時I/O、設備組態、故障診斷的能力，以及互操作性和可互換性，從而將Ethernet/IP定位于在自動化領域以太網應用的解決方案。
因為ODVA擁有Ethernet/IP，引起IDA與它合作的興趣。2001年第1季度，在INONA的撮合下這3個組織達成尋求建立法人團體的諒解備忘錄，協調今后的發展。IDA可能會采用CIP，再加上自己的機器人、運動控制和包裝目標庫/功能塊庫。
圖4 PROFInet V2.0的實時數據優化通信通道
(3) 在PROFInet的第一次公布的版本中，它提供了一種非確定性的控制層的結構，有點類似與Profibus網絡。在PROFInet V1.0中大大地加強了商用以太網、TCP/IP與UDP/IP以及Microsoft的DCOM、OPC還有XML的作用。這樣，有些背離了傳統Profibus的結構，但實際上它很好地嵌入了Siemens近來所采取的基于組件自動化的策略。在2003年它將推出的新版本PROFInet V2.0中，將通過實時通道（旁路掉TCP/IP協議棧）加進實時的功能[7]。如圖4所示，它在數據鏈路層采用了旨在減小處理通信棧所需的時間的一種傳輸協議，從而極大地改善了網絡的刷新時間。實時通道除了可進行循環傳輸外，還可完成非循環傳輸。同時還要加入網絡管理、Web功能，以及直接集成I/O設備等。
采用TCP/IP和開放的DCOM wire協議，使現有的現場總線網段可用如Profibus一樣的方式予以集成。這樣一來，便可將傳統的、基于任何標準設備或現場總線的自動化系統整合到PROFInet的體系結構中。
(4) 2001年9月，現場總線基金會FF、 ODVA和Profibus International（PI）這3大國際性工業通信組織共同簽署了一個文件，合力支持OPC基金會的DX工作組正在制訂的規范。由于它們實在是有不同的側重點，無法也不會愿意尋求統一的協議。折衷的辦法就是宣布支持 OPC DX，找到一種進行有效的數據交換的中間工具―軟件網橋。在2002年春天的漢諾威博覽會上，成功展出了這三種工業以太網之間通過OPC DX交換數據，為監控級工業以太網提供了可行的技術途徑。
圖5 各種工業以太網及其相關現場總線協議的應用定位
看起來，INONA（工業自動化聯網聯盟）和OPC基金會一直在試圖緩和和調節這場潛在的標準之爭。但這場工業以太網協議之爭，并未因此停息。這就是有些人說的工業以太網大戰取代了現場總線大戰。不同的是，當年現場總線之爭的焦點集中在物理層和數據層；而當前工業以太網最大的差異，即競爭的焦點卻集中在應用層和用戶層[5]。
(5) 圖5由應用的角度給出各種工業以太網及其相關現場總線協議的應用定位。其中主要用于離散制造領域、且最有影響的，當推Modbus TCP/IP、EtherNet/IP、IDA和ProfiNet。在全球PLC市場居領先地位的Siemens不遺余力地推動ProfiNet /Profibus組合；Rockwell Automation和Omron以及其它一些公司致力于推進EtherNet/IP及其姐妹網絡―基于CIP的DeviceNet和 ControlNet；Schneider則加強它與IDA的聯盟。而在過程控制領域只有FF HSE一家。看來，它成為過程控制領域中唯一的以太網標準已成定局。
一般工業以太網都有與之互補的設備層現場總線，如表1所示：
表1 工業以太網與與之互補的設備層現場總線
其中最為簡單實用的當屬Modbus TCP/IP。它除了在物理層和數據鏈路層用以太網標準，與Modbus采用RS 232C/RS 422/RS 485不同外，在應用層二者基本是一致的，都使用一樣的功能代碼。它屬于設備層中的工業以太網協議。目前在MODICON的PLC中用得很多。同時，由于大多數工業以太網的競爭者都有與之互補的設備層網絡，IDA是后來的參與者，沒有適合的設備層協議，不像ProfiNet有Profibus作為設備層，EtherNet/IP有DeviceNet作為設備層。所以它增加了一個與Modbus TCP/IP的接口，在其網絡結構中采用Modbus TCP/IP作為設備層。
7 目前工業以太網發展中有待于解決的問題
(1) 制定工業加強型網絡端口連接件和網絡設備的工業標準。據了解以太網50%的故障出于連接件，因此必須提供優質的、適于在工業環境下正常工作的連接件也是亟待解決的問題之一。至于網絡設備，現在已有一些專業公司能提供很好的系列產品，包括網關、物理層的協議轉換器、冗余的或非冗余的交換式集線器，以及其它相關產品。
(2) 制定過程控制中的以太網網絡設計的適當策略。以太網的優點之一是它易于安裝和連接，但這也使它容易受到傷害。如果未經小心設計，往往會給控制網絡帶來不良影響，降低其可靠性。這方面是有前車之鑒的。美國一家大造紙廠曾經因以太網網絡設計不當，造成一臺PC機在作網絡組態時，使一套DCS系統與一臺造紙機的操作員界面之間通信發生不應有的中斷。近年來，通過對網絡進行網段細分，可以用一種簡單的方式向用戶提供他們所需要的帶寬，并且平衡所有網絡用戶和網絡設備的帶寬需求。因此，確保通信的安全性、確定性不再是以太網實時通信的障礙。
(3) 工業以太網應用層、用戶層難以統一。
圖6 應用層、用戶層以及網絡配置和管理軟件是競爭的焦點
前面已經談到上述這些工業以太網最大的差異是在應用層和用戶層，幾乎是無法統一的。可以說，除了物理層和數據鏈路層以外都是競爭的地盤。工業以太網協議競爭的新戰場有：
上層的功能性（functionality） 如公用的設備行規，是確保設備的互操作性和可互換性的重要環節。這是與協議有關的競爭。
網絡配置 每個協議都要指定若干配置參數，再加上制造廠又對自己生產的設備或系統附加了專用的功能性，甚至還通過自己專用的配置工具及相應的軟件進行競爭。這是與供應廠商有關的競爭。
8 以太網與現場總線的融合和組合
有人估計融合了或組合了以太網和TCP/IP的現場總線是今后的主流體系。但是并不是所有的現場總線都會沒有例外地與以太網組合的。例如ASi（只有4 bits的數據長度）、CAN總線（最大數據長度 8 bytes）以及SMS這些納入國際標準的現場總線，都不適合與以太網結合。另外，我們也應該認識到，以太網在工業上的成功應用并不能取代現場總線。同時，我們還應該注意的是以太網與TCP/IP并不一定非捆綁在一起的。這完全是兩種不同的通信協議，是獨立發展起來的，而且它們的作用和功能是不同的。以太網解決的是物理層和數據鏈路層，TCP/IP則是用于傳輸層和網絡層的協議。以太網好比是建立通信的傳輸線，TCP保證數據傳輸可靠，IP則將要傳輸的數據送往所要求的目的地。因此，現場總線技術與以太網技術的結合就有著不同的方式。
(1) 物理層和數據鏈路層仍延用原來現場總線的協議，再將 TCP/IP組合進去，目的是保持現場總線的原有優點，而又可以利用TCP/IP協議將現場總線數據直接掛互聯網。如 WorldFIP on TCP/IP , Interbus on TCP/IP。這也是一種基于Web的PLC的基礎。
(2) 物理層和數據鏈路層采用以太網技術，應用層和用戶層采用原現場總線的協議。必要時也加入TCP/IP。如FF的HSE ，ODVA的EtherNet/IP。方法是將變化很少的現場總線報文作為“用戶數據”嵌入TCP/IP的數據幀后在以太網上傳輸。可稱之為“打包法”。其優點是不需花時間開發新的規范；有利于向下兼容；不同的現場總線的數據可在一個網絡中同時傳輸。由于TCP/I報文頭部占40bytes，以太網的報文頭部占18bytes，若按以太網標準用其最小報文長度64bytes，那么，只剩下6bytes的有用數據長度。數據傳輸的效率很低。因此這更適合于傳輸長數據。
(3) Interbus采用反向打包法，或稱“拆包法”。將TCP/IP數據幀嵌入Interbus報文。由于Interbus報文短（8bytes），因此TCP/IP數據幀必須拆開傳輸，在接收端再將TCP/IP數據幀拼裝。優點是原有的Interbus設備在現場應用不受影響，又可以通過TCP/IP上互聯網。這種方法主要用于傳送較長消息，如傳送程序等。
(4) 網關或代理服務器法。典型代表為ProfiNet。通過網關或代理服務器進行以太網與現場總線的信息轉換。優點是已在使用的現場總線設備可不受限制地繼續用下去。缺點是同時使用幾種現場總線時，系統的配置相當復雜，實時性難以保證。
(5) 重建法。典型代表為IDA。方法是不用現有現場總線，建立新的實時通信用戶層。
9 建立新的數據交換的接口規范
OPC DX標準定義通過以太網網絡進行互操作的數據交換以及服務器―服務器間通信的接口集合的工業標準，它是現有的OPC DA數據存取規范的擴充。
OPC DX標準將OPA DA擴展為具備在運行期間進行服務器和服務器之間數據交換的功能，而與由以太網TCP/IP網絡支持的實時應用的協議無關。這意味著這個標準將為由不同自動化供應商開發的軟件部件易于在大的自動化和經營管理系統集成，并實現即插即用提供良好途徑。從圖7中可以看出，OPC DX并不替代各個現場總線的作用，只是讓集成在一個系統中的多種現場總線儀表可以相互交換數據。附帶交代一下，在OPC中，服務器的概念是：它是OPC的一個對象，承擔獲取數據，并向客戶機提供數據的作用。在圖中可把它看成是一個現場儀表或設備。
OPC DX數據交換是相對于OPC DA的客戶機―服務器通信模式推出的服務器―服務器通信模式，符合當代網絡點對點的對等通信和扁平化的技術趨勢，使駐留在不同體系的現場總線控制器上的實時服務器數據可以直接交換，從而實現統一的基于高速以太網的軟件網關技術。所以，有人把OPC DX稱為軟件網關。
圖7 不同的現場總線通過OPC DX交換數據
圖8 OPC XML規范便于ERP和MES系統集成和數據共享
OPC在2001年還推出另一個具有重大意義的軟件技術就是OPC XML擴展標識訪問。XNL是W3C組織制定的Ｗeb訪問的標準，也是構成Ｍicrosoft新一代Internet網絡技術.NET
的基礎。XML技術制定了對網頁標識的定義的規則，使ERP和MES系統集成和數據共享十分方便，可以在網頁發布時避免組件插入和注冊。
OPC相應推出OPC工作XML規范，發布基于OPC DA的XML定制規劃（Schemas），包括讀（Read）、寫（Write）、訂閱（Subscription）和瀏覽（Browsere）四種數據共享和訪問模式，使Web Server/Web Browser可以逐漸成為實時人機界面的主流。
10 關于工業以太網幾個值得思考的問題
(1) e網到底或一網到底是不是最好的方案？筆者感覺這并不是最好的方案。在目前的技術條件下以太網用于現場層既不合適（現場層要求實時性、安全性、可靠性和環境適應性，合理解決并不容易），也不經濟（商用以太網硬件若改造為工業級產品，也就沒有價格低廉的優勢了；現場層傳輸的數據不多，如按以太網/TCP/IP標準的最短長度64字節計，報頭占56字節，數據僅占8字節，數據率顯得過低，除非設法將報頭壓縮為一兩個字節，但這又需時間開銷）。在一定的條件下它可以用于I/O層。現場總線和工業以太網的組合可能是最好的可行方案。
(2) 工業以太網在過程控制領域中目前唯一的方案就是FF H1+FF HSE。這也是現場總線和工業以太網的組合。
(3) 在離散制造業中，IDA、EtherNet/IP和PROFInet孰優孰劣？難下結論。競爭還在繼續，就像DeviceNet和Profibus再加上Modbus至今各有各的市場、各有各的領地一樣，IDA、EtherNet/IP和PROFInet恐怕將會三足鼎立，長期競爭。
(4) 競爭主要表現在應用層、用戶層，以及相關的網絡配置和管理軟件等方面。IDA與其它工業以太網EtherNet/IP和PROFInet顯著不同之處，在于它的微秒級的實時性。
(5) OPC DX為不同的工業以太網提供了數據交換的可能性，為它們的長期共存提供了很好的基礎。這符合最終用戶的利益嗎？
IDA、EtherNet/IP和PROFInet三足鼎立、長期競爭，應該說符合最終用戶的利益。因為只有競爭才會發展，技術才會進步，價格才會降低。同時又為工業自動化系統采用多種現場總線和工業以太網系統在監控級提供了軟件網關。
(6) 會不會出現單一標準的現場總線和單一標準的工業以太網？
絕無可能！自動化技術工作者應該摒棄追求像DC 4~20mA統一信號那樣的工業數字通信的單一標準。這是兩類完全不同本質和內容的技術，不可等同比較。因此必須積極面對和駕馭多種現場總線和工業以太網共存的局面。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號