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杜品圣（1951－）博士，現(xiàn)任菲尼克斯亞太電氣(南京)有限公司研發(fā)技術(shù)總監(jiān)，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)專家咨詢委員會(huì)委員。
2 工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)
在90年代初期，與計(jì)算機(jī)技術(shù)俱日并進(jìn)，基于TCP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)也得到了高速的發(fā)展，大舉進(jìn)入了辦公領(lǐng)域，許多IT領(lǐng)域的領(lǐng)頭企業(yè)，如微軟、蘋果、惠普、EPSON等等都采用了IEEE802.3的國際標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了統(tǒng)一的與用戶無關(guān)的計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的通信協(xié)議和方法，如打印機(jī)、掃描機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和傳真機(jī)等。隨著USB、藍(lán)牙的迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，特別是它在Internet中的廣泛應(yīng)用，技術(shù)更為成熟，并得到了廣大開發(fā)商與用戶的認(rèn)同。因此，無論從技術(shù)上還是產(chǎn)品價(jià)格上，以太網(wǎng)較之其它類型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都具有明顯的優(yōu)勢。基于以太網(wǎng)，TCP/IP的通信技術(shù)已成為標(biāo)準(zhǔn)化的辦公通訊技術(shù)，無論在商用和個(gè)人計(jì)算機(jī)都采用了這種通信方式。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展，控制網(wǎng)絡(luò)與辦公領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet的聯(lián)系更為密切?？刂凭W(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要考慮與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的一致性，需要提高對現(xiàn)場設(shè)備通信性能的要求，因此，基于以太網(wǎng)的通信技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域里，如制造生產(chǎn)業(yè)，設(shè)備制造商，工程設(shè)計(jì)方案都得到了廣泛的重視。采用以太網(wǎng)的通信技術(shù)可能帶來的經(jīng)濟(jì)性、靈活性、高速性以及傳輸大量數(shù)據(jù)的功能，使得原來不少采用現(xiàn)場總線的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開發(fā)者與制造商把目光漸漸的轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)技術(shù)，從而形成了工業(yè)以太網(wǎng)的概念?？梢姡I(yè)以太網(wǎng)是辦公領(lǐng)域以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)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(lǐng)域以太網(wǎng)技術(shù)直接用于工業(yè)控制系統(tǒng)中去呢？回答當(dāng)然是不行了。但是人們認(rèn)為辦公領(lǐng)域以太網(wǎng)技術(shù)直接用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的主要原因僅僅在于工作環(huán)境的不同。如果我們在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與商用以太網(wǎng)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容的前提下，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，即在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要的話，自然而然改進(jìn)性的商用以太網(wǎng)的模快就能滿足了工業(yè)以太網(wǎng)的要求。因此，一時(shí)間，出現(xiàn)了大量的“工業(yè)以太網(wǎng)模快”的制造商。其不同價(jià)格的幅度大于好幾倍，這給實(shí)際使用者在挑選合適的工業(yè)以太網(wǎng)?？欤瑯?gòu)成所需要的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶來了不少的困難。是選價(jià)格便宜的呢，還是性能高的?？炷兀绾伟凑諏?shí)際需要構(gòu)成一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)呢？非常遺憾的是，在我們對辦公以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)真正區(qū)別還模糊不清的時(shí)候， 一個(gè)所謂“工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)”新的概念又引起了學(xué)術(shù)界的廣泛的討論，又產(chǎn)生了工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的模糊概念，許多人認(rèn)為工業(yè)以太網(wǎng)就是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。這些概念上的混淆大大影響了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用的大量實(shí)際問題，如安裝，調(diào)試和診斷技術(shù)，系統(tǒng)的可靠性，安全性和診斷的可能性，時(shí)間需求的確定性等等得不到保證。因此，我們認(rèn)為掌握以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的區(qū)別和特點(diǎn)是在工業(yè)領(lǐng)域正確應(yīng)用以太網(wǎng)的前提。
實(shí)際上，為了促進(jìn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，本世紀(jì)初，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)（Industrial Ethernet Association，IEA），工業(yè)自動(dòng)化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)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(biāo)是在世界范圍內(nèi)推進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、教育和標(biāo)準(zhǔn)化管理，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的各個(gè)層面應(yīng)用以太網(wǎng)。美國電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）也正著手制定現(xiàn)場裝置與以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)。這些組織還致力于促進(jìn)以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場級，推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用?？梢?，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域已成為不可阻擋的潮流，下面將大致地介紹一下以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)之間的區(qū)別，以為使用者帶來些方便。
2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)及其與以太網(wǎng)的區(qū)別
對于工業(yè)以太網(wǎng)和與以太網(wǎng)之間的區(qū)別問題，實(shí)際上目前已由不少文章作了分析，但是往往從工作環(huán)境的角度講的比較多一些。我們認(rèn)為工業(yè)以太網(wǎng)和商用以太網(wǎng)的最主要的區(qū)別是應(yīng)用場合和應(yīng)用對象的不同，其主要的區(qū)別可以歸納為下面幾點(diǎn)：
* 在一定的場合，通信系統(tǒng)中信息交換必須滿足傳輸速度和確定性的要求；
* 工業(yè)以太網(wǎng)必須保證更高的通信系統(tǒng)中穩(wěn)定性，可靠性，安全性和保密性；
圖1 工業(yè)以太網(wǎng)的特殊要求
綜合上面的幾點(diǎn)，比較以太網(wǎng)技術(shù)在辦公和工業(yè)不同環(huán)境下工作的不同點(diǎn)，從上面的對比可以看到，工業(yè)以太網(wǎng)源于商用以太網(wǎng)，但是真正要將以太網(wǎng)技術(shù)成功地應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域，必須考慮以下不同之點(diǎn)。通過分析此不同點(diǎn)以后，才能找到能夠符合工業(yè)工程項(xiàng)目的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)方案。
圖2辦公領(lǐng)域以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
由于工業(yè)以太網(wǎng)與辦公以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用對象的不同，產(chǎn)生了各種特定的要求，在辦公領(lǐng)域的通信系統(tǒng)中，其網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成主要是各種計(jì)算機(jī)之間的通信，由此產(chǎn)生計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換的通訊網(wǎng)絡(luò)，如計(jì)算機(jī)與服務(wù)器，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)掃描機(jī)，計(jì)算機(jī)與其他網(wǎng)絡(luò)相連的外圍設(shè)備以及與因特網(wǎng)的通信。這樣的通信系統(tǒng)如圖2所示。
因此，辦公領(lǐng)域以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)/服務(wù)器)機(jī)制?？蛻羰峭ㄐ诺闹鲗?dǎo)者，它發(fā)送服務(wù)請求，如從服務(wù)方下載文件)，或啟動(dòng)一個(gè)命令打印某個(gè)文件或要求某個(gè)服務(wù)方存儲數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)處理和交換一般都可以采用通用的因特網(wǎng)的協(xié)議，如FTP，HTTP，SNMP，DHCP或者其他基于客戶/服務(wù)通信的傳輸方法。這些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般在數(shù)十個(gè)千字節(jié)到幾百兆。
在工業(yè)應(yīng)用場合中，構(gòu)成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的組成部分是非常復(fù)雜的。除了需要計(jì)算機(jī)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(zhí)行器（如變頻器，直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，機(jī)器人控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線I/O系統(tǒng)人機(jī)界面）同時(shí)連接于因特網(wǎng)，通過WEB技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等。
因此，前面所提及的用于辦公領(lǐng)域以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議將遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)以太網(wǎng)的要求，目前，人們正在改進(jìn)原來的通信協(xié)議，已有數(shù)種發(fā)展成為了國際的新的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議，如PROFINET，EtherNet/IP，Modbus TCP，Ethernet Powerlink，SERCOS III 和EtherCat。這些通信協(xié)議都能部分地滿足不同控制領(lǐng)域和應(yīng)用的要求，關(guān)鍵是協(xié)議改變了Client/server（客戶/服務(wù)）機(jī)制，采用了publish-subscribe和producer-consumer通信機(jī)制，使得辦公以太網(wǎng)點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)議方法變?yōu)槎帱c(diǎn)通信方法，而數(shù)據(jù)量也可從PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線之間幾個(gè)字節(jié)的傳輸?shù)紺NC控制系統(tǒng)與現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)兆字節(jié)的傳輸。
工業(yè)以太網(wǎng)與辦公以太網(wǎng)的一個(gè)明顯的區(qū)別是對于傳輸時(shí)間的要求，相對于辦公以太網(wǎng)來講，一般來講，對時(shí)間的要求比較寬裕，一個(gè)PDF的文件傳輸晚幾分鐘，因特網(wǎng)上網(wǎng)時(shí)間晚了些問題都不大。所有時(shí)間的要求都是相對的，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的緣故產(chǎn)生人身安全和設(shè)備損壞問題。與此相反，以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域則必須考慮這些問題，例如，一個(gè)現(xiàn)場信號在什么時(shí)間內(nèi)控制器能夠得到；控制器的命令發(fā)出通知后，什么時(shí)間內(nèi)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行工作。不同的應(yīng)用需要不同的響應(yīng)和執(zhí)行時(shí)間，這可以是數(shù)秒（過程控制）或者微秒級。在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場中，往往會(huì)由于幾微秒的延遲而引起重大的事故，例如，一個(gè)高速位置控制系統(tǒng)，由于在通信中丟失了數(shù)次現(xiàn)場傳送器的反饋信號，而超越限定極限位置，產(chǎn)生重大事故；由于不能及時(shí)得到紙漿厚度的測量信號，使得造紙機(jī)生產(chǎn)的紙張厚薄不均，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。這些事件的發(fā)生僅僅在數(shù)毫秒內(nèi)，如果不能及時(shí)得到現(xiàn)場監(jiān)視信息，將會(huì)給生產(chǎn)或人身安全帶了不可估量的后果。在工業(yè)領(lǐng)域的某些應(yīng)用中，所要求的數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間中的抖動(dòng)（JITTER）值非常?。ㄎ⒚爰墸?。因此，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)必須更快速，更具有傳輸?shù)拇_定性，這是辦公用的以太網(wǎng)技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。
圖3 用于工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
辦公以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境不同，導(dǎo)致了對其可靠性、穩(wěn)定性和安全性有不同的要求。辦公以太網(wǎng)是為辦公自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需要（如冗余電源供電直流、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Phoenix Contact、Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。而在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn)行了定義。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纜傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。
在工業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用于這些場合的設(shè)備，都必須采用一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。現(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密和澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔爆技術(shù)相比較，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段，其關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)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(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)難以設(shè)計(jì)，因此，在目前技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行，確?，F(xiàn)場設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄，保證運(yùn)行的安全性。而對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。
另外，工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了與Internet的無縫集成，實(shí)現(xiàn)了工廠信息的垂直集成，但同時(shí)也帶來了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全問題，包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅問題，對此，一般可采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等方法，將內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相隔離，另外，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。
2.2 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的特點(diǎn)和與工業(yè)以太網(wǎng)的區(qū)別
2.2.1 工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時(shí)性是有要求的，各級子網(wǎng)對實(shí)時(shí)性的要求不同，通常越靠底層的子網(wǎng)對實(shí)時(shí)性要求越高，越靠近上層的子網(wǎng)對實(shí)時(shí)性的要求越低。實(shí)時(shí)性通常采用響應(yīng)時(shí)間來定量描述。響應(yīng)時(shí)間是指某一系統(tǒng)對輸入作出響應(yīng)所需的時(shí)間，以ms、s、min，h為計(jì)量單位。響應(yīng)時(shí)間很短，就標(biāo)志著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越好。
對于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)來說，目前根據(jù)不同的應(yīng)用場合，將實(shí)時(shí)性要求劃分為3個(gè)范圍，它們是：信息集成和較低要求的過程自動(dòng)化應(yīng)用場合，實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求是100ms或更長；絕大多數(shù)的工廠自動(dòng)化應(yīng)用場合實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間的要求最少為5~10ms；對于高性能的同步運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，特別是在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下的伺服運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用場合，實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求低于1ms，同步傳送和抖動(dòng)小于1μs。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性還規(guī)定了許多技術(shù)指標(biāo)，如交付時(shí)間、吞吐量、時(shí)間同步、時(shí)間同步精度、以及冗余恢復(fù)時(shí)間等。
2.2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的通信確定性
通常，人們習(xí)慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。但是，如果仔細(xì)劃分，按照國際電工委員會(huì)SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境、符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范、對其沒有進(jìn)行任何實(shí)時(shí)擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足對實(shí)時(shí)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(rèn)為是為IT領(lǐng)域而開發(fā)的，Ethernet采用了帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法，它被認(rèn)為是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過程會(huì)存在產(chǎn)生沖突的可能性，造成響應(yīng)時(shí)間不確定，使信息不能按要求正常傳遞，這是阻礙以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層的關(guān)鍵所在。
隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)的發(fā)展，為解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機(jī)，并使這一應(yīng)用成為可能。主要表現(xiàn)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(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降，提高了網(wǎng)絡(luò)的確定性。
其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)之間通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。交換機(jī)可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，使本地?cái)?shù)據(jù)傳輸不占其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
最后，采用全雙工通信方式。在一個(gè)用5類雙絞線（光纜）連接的全雙工交換式以太網(wǎng)中，其中一對線用來發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對線用來接收數(shù)據(jù)，這樣交換式全雙工以太網(wǎng)消除了沖突的可能，使Ethernet通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。
2.2.3 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)
到目前為止，可以將工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間做到5~10ms，相當(dāng)于現(xiàn)有的現(xiàn)場總線。對于響應(yīng)時(shí)間小于5ms的應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)已不能勝任。為了滿足高實(shí)時(shí)性能應(yīng)用的需要，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案。2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應(yīng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場應(yīng)用需求，制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)IEC/SC65C/WG11定義，所謂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE(Real-time Ethernet)，是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組件或IEC1588的總體行為，但可以在一定程度上進(jìn)行修改，使之滿足實(shí)時(shí)行為：
— 實(shí)時(shí)性，即確定性通信；
— 現(xiàn)場設(shè)備之間的時(shí)間同步行為；
— 充分、頻繁的長度較短的數(shù)據(jù)交換。
為此，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)首先需要解決實(shí)時(shí)通信問題，同時(shí)，還需要定義應(yīng)用層的服務(wù)與協(xié)議規(guī)范，以解決開放系統(tǒng)之間的信息互通問題。
在IEC/SC65C/WG11工作組負(fù)責(zé)制定的IEC61784-2“基于ISO/IEC 8802-3的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)行規(guī)”國際標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)行規(guī)集。
（1） 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信模型
根據(jù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)擴(kuò)展的不同技術(shù)方案，可將實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議模型分為4類，如圖4所示。其中（a）是經(jīng)過常規(guī)最大努力提高實(shí)時(shí)性，一般工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議模型；（b）采用在TCP/IP之上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換方案；（c）采用經(jīng)優(yōu)化處理和提供旁路實(shí)時(shí)通道的通信協(xié)議模型；（d）采用集中調(diào)度提高實(shí)時(shí)性的解決方案；（e）采用類似Interbus現(xiàn)場總線“集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提升以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能。
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)還需要定義應(yīng)用層的服務(wù)與協(xié)議規(guī)范，以解決開放系統(tǒng)之間的互操作問題。互操作性是指連接在同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議可以進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換，這是開放系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。一般存在著這樣的誤解，即只要采用了工業(yè)以太網(wǎng)就能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作，事實(shí)并非如此。以太網(wǎng)僅僅映射到ISO/OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP（UDP）/IP協(xié)議為主。由于不存在統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，以太網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用程序是專用的，而不是開放的，因此設(shè)備還不能實(shí)現(xiàn)透明互訪。要解決這一問題，就必須在Ethernet+TCP（UDP）/IP協(xié)議之上，制定統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，同時(shí)也可參考IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)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）
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