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工业以太网技术

毫无疑问,以太网和 TCP/IP 协议已越来越多地被工业自动化技术所接受。其主要技术优势包括快速以太网、交换式和全双工通讯已将过去的以太网转变为强大的通讯系统,并受到了工业用户和制造商的青睐。然而,工业自动化统一的应用协议规范之梦却显得那么遥不可及。实际上当现场总线技术刚刚出现的时候也曾出现过的问题,“是否将出现一个统一的标准?” 在这个时候又被问到工业以太网上。答案是非常明确的-“不可能”。事实上目前已经出现了14种不同的工业以太网协议。

以太网究竟提供了什么?
办公室网络的集成,IT功能,Internet/Intranet,远程访问。这些是由基于TCP/IP的以太网之上的应用层协议提供的,例如SNMP, FTP, MIME, HTTP等。通讯一般是通过路由器和服务器进行IP寻址和TCP传输。
高速带宽,大数据包可支持越来越多的设备进行通讯
支持同步的快速的实时通讯,可用于运动控制等对实时性要求极高的应用。
连接和寻址更多和范围更大的设备
统一的以太网网络结构
与制造执行系统(MES) 的连接

共同特性
尽管不同协议在第7层上有不同的实现方式,但还是有一定的共性。其共性包括共同的 1-4 层标准例如以太网 IEEE 802.xx 数据传输技术 ( 第1层 ) 、总线访问技术 (CSMA/CD, 第 2 层 ) 、网间协议 (IP ,第3层 ) 和 TCP 与 UDP 协议 ( 第4层 ) 。另外在第 7 层也能找到一些共同的元素,包括一些得到广泛接受并使用的 IT 标准:超文本传输协议 (http) 、文件传输协议 (FTP) 和简单网络管理协议 (SNMP) 等。

差异
其不同之处主要体现在总体通讯结构、第 7 层工业应用协议、对象模式和系统配置的工程模式方面。不同的概念可被归结两大类:封装系统,例如: Ethernet/IP, Foundation Fieldbus HSE, Modbus-TCP ;和分布式自动化概念,例如 ProfiNet 。

封装技术
封装的概念是将报文装入 ( 或嵌入 )TCP 或 UDP 容器。典型的例子就是由罗克韦尔和 ODVA 开发的 EtherNet/IP ,由现场总线基金会开发的高速以太网 (HSE), 还有 Modbus-TCP 。在这些概念中,现场总线报文基本不变而在通过以太网发送之前作为“用户数据”嵌入 TCP/UDP 帧。这种方法的优势在于将以太网的强大功能和可扩展的通讯媒体与现场总线完美地结合起来,而无需对整个通讯结构和工程工具进行修改。另一个优势是,这种规范不需要进行很长时间的开发。因此首批产品已经开始供货并用于工业现场。另外它还便于实现对相应现场总线协议的后向兼容。在这种概念中,以太网主要被当作一种新的传输技术,作为已有现场总线诸如 DeviceNet, ControlNet, Modbus, Foundation Fieldbus H1 的互补或结合。

分布式自动化系统
第二类工业以太网的目标是满足全新的分布式智能自动化概念的通讯需要。在这种方式中,整个应用分散在多个通过以太网连接的集散式控制器中。 Profinet 仅通过以太网实现对时间要求不严格的控制功能,而用网关概念连接用于严格实时通讯的 Profibus 系统。

实时性 vs IT功能
以太网TCP/IP通讯是非确定性的,其响应时间通常超过100ms。远程I/O需要的响应时间为5-10ms。运动控制则要求更高的确定性,循环周期是在毫秒级。避免与同样使用TCP/IP的IT报文的冲突以及获得更高的实时性是采用以下几种方式来实现的。

将现场总线或应用协议内嵌在TCP/IP中
使用标准的TCP/IP在应用层内嵌现场总线协议,这种方式保证了完全的IT开放性。实际是将以太网作为现场总线协议的通道。响应时间与标准以太网一样,大约为100ms。在同一网段,节点数量少且数据包较小的情况下响应时间会降至20ms。使用UDP代替TCP,响应时间可能会进一步降至10ms。同一网段采用直接MAC寻址可将响应时间降至接近1ms。时间同步可通过IEC61588方式实现。TCP/IP带宽可保持在90-100%。

封闭的以太网段和特殊数据链路层(DLL)
实时性可通过OSI模型第二层的特殊协议实现,特殊协议要用于网段中每一个设备。对于快速实时循环,循环周期可降至0.2ms,网段对于IT功能是封闭的。实时周期被分为时间槽,其中一个时间槽是对TCP/IP报文开放的。例如,0.2ms的循环时间,在一个网段有8个节点的情况下,每个槽的时间段为22us。这只允许非常短的TCP/IP报文(最多200个字节)。对TCP/IP的带宽大约为1%。

基于TCP/IP的应用协议,带报文优先级的直接MAC寻址,以及通过特殊交换机实现快速实时性
标准的TCP/IP报文与IT报文任何情况下都是同时进行的,并不需要实时处理。根据高优先级和直接MAC寻址可以创建一个虚拟实时通道,响应时间可降至1ms。对于需要更快速度的设备,还可以使用内置交换机,虚拟通道的响应时间可降至0.2ms。这种方式为实时数据预留了一部分带宽,但将主要部分开放给TCP/IP报文。TCP/IP带宽大约为50-100%。

通过优先级报文和时间同步实现TCP/IP上的实时性
这种方案主要解决运动控制与标准IT功能在TCP/IP上同时进行的应用。实时性是通过带有时间标签的优先报文来保证,这些时间标签可被同步设备所理解。交换的延时(最大可达几百毫秒)可由设备内部进行补偿。实时性可达1ms,抖动(Jitter)为10us。TCP/IP带宽为90-100%。

通过特殊以太网物理层和特殊第二层协议实现实时性
在环形或双电缆的物理层上运行特殊报文。实时性是通过内部器件(如ASIC)和特殊寻址协议实现的。短帧的TCP/IP报文可以嵌入在特殊的协议包中,在主站侧可以进行解包后转发至普通以太网。与普通以太网连接要使用硬件网关。TCP/IP的带宽大约为1%。

从设备制造商角度的结论
设备制造商要想在国际市场取得成功,必须要在其设备中支持所有的网络系统。即使以太网在 1-4 层是相同的,其应用层协议和系统模式也完全不同。如果要自己开发来实现不同的协议将耗费巨大的资源。

同样的问题在10年前对现场总线已经提出过,而现在又再次对以太网提出。目前没有标准的以太网协议所以您需要支持至少一种。那么我该开发哪一种?这不只是一个技术问题。我的产品要销往哪里?Modbus TCP 全球安装节点数最多,也是最早的以太网协议之一。在美国由于罗克韦尔的支持EtherNet/IP的应用最广。而如果在欧洲您可能还需要Profinet-这是西门子最近才发布的,为了可能将是一种重要的以太网协议。亚洲何种以太网协议最流行?这些问题会被不断地提出,目前尚无一种确定的以太网协议能够作为确切的答案。

从最终用户角度的结论
与传统现场总线的状态相比,用户有理由对工业以太网的未来表示乐观。至少所有基于以太网的工业网络未来都使用相同的数据传输技术,相对于大量采用不同传输技术的现场总线来说这是一个相当大的优势。在统一的以太网物理层之上,将存在着多种不同且不具有互操作性的工业以太网协议。

就目前看来,工业以太网并不会取代传统的现场总线系统,而是会开辟新的应用领域,并向智能分布式自动化方向前进。

 


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