前言

　　近二十多年由于通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化控制領(lǐng)域也隨之得到了迅速的提高和改革，自動化工程師不僅將這種新技術(shù)大膽地運用到工業(yè)實踐中去，同時學(xué)術(shù)上也進行了激烈的爭論，其焦點無外乎于：

　　* 各種現(xiàn)場總線技術(shù)之爭

　　* 基于 PC 的控制器與 PLC 控制器的技術(shù)之爭

　　* 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之爭

　　經(jīng)過近二十年的爭論，現(xiàn)場總線已有了定論，八種總線歸納于一個 IEC 61158 的國際標準，這個標準的產(chǎn)生不僅僅是技術(shù)的應(yīng)用的比較，更主要是顧及各國的經(jīng)濟利益，八個標準互相不兼容， 成為一個無統(tǒng)一標準的國際標準，看來 OPC 這類純技術(shù)的標準，在 TC 65 委員會顯然行不通了。同時基于 PC 的控制器與 PLC 控制器的爭論也相持了十多年，相持不下，PLC 控制器生產(chǎn)廠雖然表示支持基于 PC 控制器的發(fā)展， 但是更多的處于觀望的態(tài)度，而基于 PC 的控制器新的開發(fā)廠，由于規(guī)模小，市場小， 資金短缺，一直處于劣勢，只有等待到大公司的醒悟，才會出現(xiàn)新的局面。 唯一感到欣慰是國際標準組織沒有將一種或幾種控制器作為國際標準， 還要留給了搞自動控制的人們一絲希望， 努力奮斗去搞新的技術(shù)和新的產(chǎn)品。 最近 PC 控制技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)新的跡象，新的工業(yè)控制器之爭又要展開，即 PAC 與 PLC 之爭，這一次新的爭論的起源恰恰與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展有關(guān)。

　　實際上是如何將現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)自動化控制問題的爭論。更深一步地分析， 就是現(xiàn)成廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線和日益發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的爭論，現(xiàn)場總線派反對工業(yè)以太網(wǎng)進入控制系統(tǒng)的現(xiàn)場層，以保持其在現(xiàn)場層信號傳輸?shù)牡匚唬碌墓I(yè)以太網(wǎng)派則低估現(xiàn)場總線的作用，將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)說得神乎其神。 什么一網(wǎng)到底、 透明網(wǎng)絡(luò)等等， 原有的現(xiàn)場總線派利用它們在國際標準的優(yōu)先條件，首先將 IEC 61158 的總線系統(tǒng)擴展到以太網(wǎng)領(lǐng)域， 既FF 總線發(fā)展成了 HSE， ControlNet 發(fā)展成EtherNet/IP， Profibus 和 Interbus 聯(lián)合發(fā)展成了ProfiNet，World-FIP 自動地退出了歷史舞臺。而更多原來沒有搞現(xiàn)場總線， 或者沒有機會進入現(xiàn)場總線標準的， 也想通過開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接打入到工業(yè)通信的標準中去。如 Modbus-TCP，PowerLink， EtherCat 以及我國的 EPA 都成為了PAS 文件。

　　IEC 61158 演變?yōu)?IEC 61784-1

　　總線基金會FF 發(fā)展成 HSE

　　ControlNet 發(fā)展成 EtherNet/IP

　　Profibus和Interbus 發(fā)展成 ProfiNet

　　IEC 61784 不排除新的技術(shù)的加入

　　Modbus-TCP，PowerLink，EtherCat，EPA.。。（PAS）

　　事實證明現(xiàn)代自動控制的發(fā)展是與現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)的， 無論是現(xiàn)場總線還是工業(yè)以太網(wǎng)都對工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、 數(shù)字化、 智能化一體化起了決定性的作用。 因此縱觀上述的爭論是對我們?nèi)绾慰创I(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展有很大的啟示， 在爭論中我們需要對不同的工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)有所了解，并對他們作一相應(yīng)的比較， 從而明確未來工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)對工業(yè)控制系統(tǒng)的影響。下面對目前討論較多的幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作了略述。

　　１ 幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的簡介

　　自從1999年以來市場上出現(xiàn)了不少針對不同場合應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其最大的特點就是基于TCP-IP 的技術(shù)，同時又根據(jù)實踐的具體應(yīng)用的需要開發(fā)而成。

　?? 1.1 EtherCat（Ethernet for Automation Technology）

　　EtherCat是由德國自動控制公司Beckhoff開發(fā)的， 并在 2003 年底成立了 ETG （Ethernet Technology Group） ，目前有 130 個成員。一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀， 進行分析 （解密） 后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中的各個模塊的通信方法進行的， 而 EtherCat 的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已包含了網(wǎng)絡(luò)的各個模塊的數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)的傳輸采用移位同步的方法進行，即在網(wǎng)絡(luò)的模塊中得到其相應(yīng)地址數(shù)據(jù)的同時，電報幀以傳送到下一個設(shè)備，相當(dāng)于電報幀通過一個模塊時輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)， 馬上轉(zhuǎn)入下一個模塊。 由于這種電報幀的傳送從一個設(shè)備到另一個設(shè)備延遲時間僅為微秒級，所以與其它以太網(wǎng)解決方法相比， 性能比得到了提高。在網(wǎng)絡(luò)段的最后一個模塊結(jié)束了整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎?形成了一個邏輯和物理環(huán)形結(jié)構(gòu)。所有傳輸數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)的協(xié)議相兼容， 工作于雙工傳輸，提高了傳輸?shù)男省Ｃ總€裝置又將這些以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的總線協(xié)議。

　　圖２是 EtherCat 的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議的結(jié)構(gòu)。

　　EtherCat 通過協(xié)議內(nèi)部的優(yōu)先權(quán)機制可區(qū)別傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)（Process Data）， 組態(tài)數(shù)據(jù)或參數(shù)的傳輸是在一個確定的時間段中通過一個專用的服務(wù)通道進行（Acyclic Data）， EtherCat的操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能與傳輸?shù)?IP 協(xié)議兼容。

　　EtherCat 技術(shù)開發(fā)已經(jīng)完成，專門的 ASIC 芯片也在實現(xiàn)之中。 目前市場上已提供了從站控制器。EtherCat 的規(guī)范也成為 IECE1588 （IEC 61158） PAS文件。

　　1.2 EtherNet/IP

　　基于 Ethernet TCP 或 UCP-IP 的 Ethernet/IP是工業(yè)自動通訊的一個擴展，這里的 IP 表示為 Industrial-Protocal。在 2000 年底 ODVA 組織首先提出 Ethernet/IP 的概念， 以后SIG （Special Interest Groups）進行了規(guī)范工作。ODVA 組織目前有300 多個成員， 并有自己的測試中心。

　　實際上， 所有的 Ethernet/IP 的 CIP （控制和信息協(xié)議） 已運用在ControlNet和Devicenet 上了。 這里將這一方法移植到 Ethernet 的 TCP/IP 和 UCP/IP 的通道上來實現(xiàn)。 Ethernet/IP 的規(guī)范是公開的，并由 ODVA 組織提供，另外除了辦公環(huán)境上使用的

　　HFTP、FTP、JMTP、SNMP 的服務(wù)程序，Ethernet/IP還具有生產(chǎn)者/客戶服務(wù)，容許有時間要求的信息在控制器與現(xiàn)場 I/O 模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。非周期性的信息數(shù)據(jù)的可靠傳輸 （如程序下載、 組態(tài)文件）采用 TEP 技術(shù)，而有時間要求和同期性控制數(shù)據(jù)的傳輸由 UCP 的堆棧來處理。為了減少 Ethernet/IP在各種現(xiàn)場設(shè)備互相間傳輸實現(xiàn)的復(fù)雜性，Ethernet/IP預(yù)先規(guī)定了一些設(shè)備的標準規(guī)定， 如氣動設(shè)備等不同類型的規(guī)定。

　　CIP協(xié)議目前進行了以太網(wǎng)的準實時性和安全總線的實施工作， 采用 IEEE 1588 標準的分散式控制器同步機制的CIPsync和基于Ethernet/IP的技術(shù)結(jié)合安全機制實現(xiàn)的CIPSafty安全控制都在開發(fā)之中，2005 年出現(xiàn) CIPSafty 的產(chǎn)品， 2006 年實現(xiàn)CIPsync的技術(shù)。

　　1.3 Ethernet PowerLink

　　最初，Ethernet PowerLink 是由奧地利Bernecher+Rainer 控制公司開發(fā)的， 在 2002 年 4 月公布了Ethernet Powerlink標準之后， 與其它公司共同成立了 EPSG 協(xié)會，（Ethernet PowerlinkStandandization Group）。共同來推廣 EthernetPowerLink 的技術(shù)和應(yīng)用。其主要的成員有Hirschmann， Lenze， Kuka， Zuerich Univerisity等等。其主攻方面是同步驅(qū)動和特殊設(shè)備的驅(qū)動要求。 比如基于 IEEE 1588 標準的同步機制的技術(shù)等，將要實現(xiàn)。

　　在 Ethernet Powerlink 中， 以太網(wǎng)協(xié)議的常規(guī)的第三層 IP 第四層 TCP UCP 稱為 EthernetPowerlink 的棧，進行非同步數(shù)據(jù)的傳輸，而對快速同期性數(shù)據(jù)傳輸建立一個所謂的數(shù)據(jù)傳輸棧，Ethernet Powerlink 棧完全控制了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交通（TRAFFIC）， 實際上是應(yīng)用等時（slot）通訊網(wǎng)絡(luò)管理（SCNM ）功能并提供了實時性，每個設(shè)備具有嚴格時間限制的通行權(quán)利，可以在網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)交換每個時間內(nèi)只允許一個站可以獲取信息，這樣避免總線傳輸產(chǎn)生的碰撞問題，因此實現(xiàn)了傳輸時間確定，SCNM 的方法不僅能給 Isochron 數(shù)據(jù)提供不同的分時段， 而且也可給非同步數(shù)據(jù)傳輸提供公共的等分時段。

　　Powerlink的第二文本的通訊和設(shè)備描述繪是根據(jù) CanOpen 來實現(xiàn)的，第三文本是根據(jù) IEEE 1588來完成同步機制。 目前 Ethernet Powerlink 已有產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。

　　1.4 Modbus/TCP

　　Modbus/TCP 在美國比較流行，它有兩部分組成，即 IDA（分散式控制系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)與 Modbus/TCP 的信息結(jié)構(gòu)的結(jié)合。Modbus/TCP 是 Modbus協(xié)議的分支，是由 Modicon 開發(fā)的。 1999 年公布了其規(guī)范， 開始用在以太網(wǎng)上， 2004 年開始， Modbus/TCP 成為 PAS 文件，Modbus/TCP 基于以太網(wǎng)和標準 TCP/IP 技術(shù)，并直接安插在第四層的 TCP/UCP上。 它定義了一個簡單的開放式又廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)用于主從通訊方式，一個綜合的結(jié)構(gòu)的協(xié)議暫時沒有考慮。基本工作原理是將傳輸電報幀嵌入于 TCP/IP 的下層的協(xié)議幀中。 在物理層中進行傳輸。MODBUS 的幀包括了從站的地址，MODBUS功能碼和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， 這里控制碼沒有被應(yīng)用， 因為校驗功能已在下層 （1-4） 被執(zhí)行， 功能代碼表示必經(jīng)完成的從站的動作， 習(xí)慣上一個從屬于MODBUS/TCP 的從站可用 MODBUS 功能來實現(xiàn)。

　　MODBUS/TCP 協(xié)議已被提高到 IETF（Internet Engineer Tast Force） 它將作為因特網(wǎng)的標準，這表示 MODBUS/TCP 也將與 FTP 一樣成為一個操作系統(tǒng)的一個共用部分，MOBDUS/TCP是最先基于以太網(wǎng)的以太網(wǎng)協(xié)議，所以在許多地方都得到了應(yīng)用。

　　1.5 PROFINET

　　PROFInet 是在 SIEMENS 公司的支持下由 PNO（Profibus Nutzer/User Organisation）開發(fā)而成的。它的第一文本僅僅是非時間要求通信的以太網(wǎng)接口的設(shè)備和通過 PROXY 網(wǎng)關(guān)連結(jié)的實時性通信的PROFIBUS-DP 設(shè)備的結(jié)合體。從 2004 年開始開發(fā)與制定新的版本標準。提出了對 IEEE 802.1D 和IEEE 1588進行實時擴展的技術(shù)方案， 并對不同實時要求的信息采用不同的軟件和硬件的實時傳輸方法。

　　圖６表示了 PROFInetV2 和 V3 的通信協(xié)議模型。

　　在第二版本中， PROFINET 提出了兩種工業(yè)以太網(wǎng)的通信機制， 如圖 6 的左邊所示，采用TCP/IP協(xié)議通道來實現(xiàn)非實時數(shù)據(jù)的傳輸， 比方用于設(shè)備參數(shù)化、 組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)的傳輸。 而實時數(shù)據(jù)的傳輸是將 OSI 模型的第三層和第四層進行旁路， 實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通道， 傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)存放在 RT 堆棧上，實現(xiàn)傳輸時間的確定性。為了減少通信堆棧的訪問時間， V2 版本對協(xié)議中傳輸數(shù)據(jù)的長度作了限制。因此在實時通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是用于現(xiàn)場 I/O數(shù)據(jù)、 事件控制的信號與報警信號等。 為優(yōu)化通信功能，PROFINET 根據(jù) IEEE 802.1p 定義了報文的優(yōu)先權(quán)，規(guī)定了 7 級的優(yōu)先級。 其中最高級用于硬實時數(shù)據(jù)的傳輸。

　　PROFInet 的第三版本采用了 IRT （Isochronous RealTime）等時同步實時的 ASIC 芯片的硬件方法來實現(xiàn)具有數(shù)據(jù)同步傳輸功能的實時數(shù)據(jù)的傳輸，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間， 這樣一來， PROFInet 不僅能實現(xiàn) CBA 的數(shù)據(jù)通信， 同時應(yīng)用于快速的時鐘同步運動控制。

　　PROFInet 正在開發(fā)之中， 并有少量的設(shè)備和應(yīng)用事例。

　　2 小結(jié)：幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的比較

　　下面采用表格的形式對幾種工業(yè)以太網(wǎng)作一比較，作為本文的小結(jié)。