什麼是工業以太網？

什麼是工業以太網？

----工業以太網是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的強大的區域和單元網絡。利用工業以太網，SIMATIC NET 提供了一個無縫內建到新的多媒體世界的途徑。

----企業内部網際網路(Intranet)，外部網際網路(Extranet)，以及國際網際網路(Internet) 提供的廣泛應用不但已經進入今天的辦公室領域，而且還可以應用于生産和過程自動化。繼10M波特率以太網成功運作之後，具有交換功能，全雙工和自适應的100M波特率快速以太網(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标準)也已成功運作多年。采用何種性能的以太網取決于使用者的需要。通用的相容性允許使用者無縫更新到新技術。

為使用者帶來的利益

----市場占有率高達80%，以太網毫無疑問是當今LAN(區域網路)領域中首屈一指的網絡。以太網優越的性能，為您的應用帶來巨大的利益：

通過簡單的連接配接方式快速裝配。

通過不斷的開發提供了持續的相容性，因而保證了投資的安全。

通過交換技術提供實際上沒有限制的通訊性能。

各種各樣聯網應用，例如辦公室環境和生産應用環境的聯網。

通過接入WAN(廣域網)可實作公司之間的通訊，例如，ISDN 或Internet 的接入。

----SIMATIC NET基于經過現場應用驗證的技術,SIMATIC NET已供應多于400,000個節點，遍布世界各地，用于嚴酷的工業環境，包括有高強度電磁幹擾的區域。

工業以太網絡的構成：

----一個典型的工業以太網絡環境，有以下三類網絡器件：

網絡部件

連接配接部件：

FC 快速連接配接插座

ELS(工業以太網電氣交換機)

ESM(工業以太網電氣交換機)

SM(工業以太網光纖交換機)

MC TP11(工業以太網光纖電氣轉換子產品)

通信媒體：普通雙絞線，工業屏蔽雙絞線和光纖

SIMATIC PLC控制器上的工業以太網通訊外理器。用于将SIMATIC PLC連接配接到工業以太網。

PG/PC 上的工業以太網通訊外理器。用于将PG/PC連接配接到工業以太網。

工業以太網重要性能

----為了應用于嚴酷的工業環境，確定工業應用的安全可靠，SIMATIC NET 為以太網技術補充了不少重要的性能：

工業以太網技術上與IEEE802.3/802.3u相容，使用ISO和TCP/IP 通訊協定

10/100M 自适應傳輸速率

備援24VDC 供電

簡單的機櫃導軌安裝

友善的構成星型、線型和環型拓撲結構

高速備援的安全網絡，最大網絡重構時間為0.3 秒

用于嚴酷環境的網絡元件，通過EMC 測試

通過帶有RJ45 技術、工業級的Sub-D 連接配接技術和安裝專用屏蔽電纜的Fast Connect連接配接技術，確定現場電纜安裝工作的快速進行

簡單高效的信号裝置不斷地監視網絡元件

符合SNMP(簡單的網絡管理協定)

可使用基于web 的網絡管理

使用VB/VC 或組态軟體即可監控管理網絡

　　當今時代，網絡就是控制的理念已經越來越被使用者所接受，傳統的基于RS485，CAN等總線的各種集散控制系統，由于其固有的缺陷，正在被基于TCP/IP協定的工業太網所取代，工業以太網總線和我們現在使用的區域網路是一緻的，它采用統一的TCP/IP協定，避免的不同協定間通訊不了的困擾，它可以直接和區域網路的計算機互連而不要額外的硬體裝置，它友善資料在區域網路的共享，它可以用IE浏覽器通路終端資料，而不要專門的軟體，它可以和現有的基于區域網路的ERP資料庫管理系統實作無縫連接配接，它特别适合遠端控制，配合電話交換網和GSM，GPRS無線電話網實作遠端資料采集，它采用統一的網線，減少了布線成本和難度，避免多種總線并存。工業以太網總線正因為有諸多的優點，在國内外逐漸得到了迅速的普及，現在已經有大量的配套産品在使用中。如工業以太網HUB，工業以太網防火牆産，工業以太網關，以太網轉RS232/RS485裝置，以太網A/D子產品，以太網D/A子產品，以太網AI子產品，以太網AO子產品，以太網DI子產品，以太網DO子產品及複合功能子產品。

　　幾年前，當現場總線大戰硝煙正濃時，傳統上用于辦公室和商業的以太網卻悄悄地進入了控制領域。近來以太網更是走向前台，發展迅速，頗引人注目。究其原因，是由于工業自動化系統正向分布化、智能化的實時控制方面發展，其中，通信已成為關鍵，使用者對統一的通信協定和網絡的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等資訊技術的飛速發展，要求企業從現場控制層到管理層能實作全面的無縫資訊內建，并提供一個開放的基礎構架，但目前的現場總線尚不能滿足這些要求。應該說，現場總線的出現确實給工業自動化帶來一場深層次的革命，但多種現場總線互不相容，不同公司的控制器之間不能互相實作高速的實時資料傳輸，資訊網絡存在協定上的鴻溝導緻出現“自動化孤島”等，促使人們開始尋求新的出路，并關注到以太網。以太網有以下優點：

　　

(1)具有相當高的資料傳輸速率(目前已達到100Mb/s)，能提供足夠的帶寬；

(2)由于具有相同的通信協定，Ethernet和TCP/IP很容易內建到IT(資訊技術)世界；

(3)能在同一總線上運作不同的傳輸協定，進而能建立企業的公共網絡平台或基礎構架；

(4)在整個網絡中，運用了互動式和開放的資料存取技術；

(5)沿用多年，已為衆多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設定、維護和診斷工具，成為事實上的統一标準；

(6)允許使用不同的實體媒體和構成不同的拓撲結構。

　　

　　至于以太網存在的不确定性和實時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實作、優先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高資料傳輸速率，仔細地選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可将發生資料沖突的機率降到最低。此外，如Hirschmann公司已開發出一系列加強的、适合用于工業環境的密封和抗振動的以太網器件，如導軌式收發器、集線器、切換器、連接配接件等；Woodhead Connectivity公司推出保護等級為IP67的RJ-45連接配接器件。凡此種種，給以太網進入實時控制領域創造了條件。正因為如此，ARC(Automation Research Company)預測今後Ethernet和TCP/IP将成為器件總線和現場總線的基礎協定。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日釋出的調查報告中預測，在工業控制應用領域，以太網的世界市場佔有率将由1998年的8.4%躍升為2003年的22%，是各種總線中升幅最大的。

　　

　　目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網進入控制領域的工作，如IEEE(美國電氣和電子工程師協會)正在着手制訂現場總線和以太網通信的新标準。該标準将使網絡能看到“對象”。IAONO(工業自動化開放網絡聯盟)最近與ODVA和IDA集團就共同推進Ethernet和TCP/IP達成共識。ODVA(DeviceNet供應商協會)于2000年3月17日釋出了一個為在工廠基層使用以太網服務的工業标準。FF(現場總線基金會)于2000年3月29日公布了高速以太網(100Mb/s)的最終技術規範(FSI1.0)。工業以太網協會與美國的ARC、Advisory Group等機關合作，開展工業以太網關鍵技術的研究。目前1000Mb/s以太網的發展已進入實用階段，雖然其價格還比較昂貴。由以上分析可知，以太網進入工業控制領域是一個不可忽視的發展趨勢。本文概要介紹工業以太網最近的一些進展，并對今後的展望作一些探讨。

　　

一 在應用層中的進展 　　 　　

　　

1. 封裝

　　衆所周知，以太網自身隻提供一系列的實體媒體定義和一個共享的構架。構架包括實體媒體、幀格式和LAN裝置資料的尋址格式，即它隻提供實體層和資料鍊路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協定(層三)、TCP或UDP協定(層四)，當以太網用于資訊技術時，第七層含有HTTP(超級文本傳輸協定)、FTP (檔案傳輸協定)、SNMP(簡單網絡管理協定)、SMTP(簡單電子郵件傳送協定)和Telnet(遠端登入)等。但當它用于工業控制時，展現在第七層的是實時通信、用于系統組态的對象以及工程模型的應用協定。對這些不同的概念進行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)。TCP/IP支援基于異種作業系統的異種網絡間的互聯，它是真正的開放系統通信協定，已成為目前國際上進行異種網絡互聯的事實上的标準。

　　

　“封裝”是将封包幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發的Ethernet/IP、FF開發的HSE(高速以太網)、Schneider Electric開發的Modbus TCP/IP。所有這些協定資料在發送到以太網以前，現場總線封包基本上沒有什麼變化并作為“使用者資料”嵌入到TCP/IP幀内，很容易向下相容到基于以上總線的協定。

　　Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協定的CIP(Control and Information Protocol，控制和資訊協定)，如圖1所示。

　　CIP通過“隐性”和“顯性”資訊提供用于存取資料和控制裝置的寬範圍的服務。在發送CIP資料包以前必須對其進行封裝，CIP資料包給定一個封包首部(header)，該首部的内容取決于所請求的服務屬性。通過以太網連接配接的CIP資料包包括一個專用的以太網首部、一個IP首部、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控制指令、格式、狀态資訊和同步資料等，這允許CIP資料能通過TCP或UDP傳送并確定在接收方進行解碼。Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協定的Modbus TCP/IP的子產品應用于Memetum PLC。Modbus TCP已成為半導體工業的标準EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP (使用者資料封包協定，一個被認為優于TCP的傳輸協定，其首部比TCP首部短而簡單，隻需8個位元組，而TCP為長度可變的40個位元組)的一個最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協定，為IEC61158現場總線國際标準的類型5。

　　另一種解決方案是在現場總線的上層運作或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網政策是将TCP/IP封包分割為若幹個小型資料包并封裝在Interbus的參數通道進行傳輸，其總和幀協定仍保持不變。這些被分割的資料包将在接收方重新裝配進而恢複為原來的TCP/IP封包。

　　 封裝方案的缺點是協定的效率低，以太網的首部比使用者資料大得多，進而大幅度地增加開銷，是以封裝方案隻适用于發送大容量的資料資訊。

　　

2. 代理伺服器

　　代理伺服器(Proxy)類似于對兩個不同通信協定進行轉換的網關(Gate-way)，但其功能要比後者強得多。代理伺服器的主要目标是将标準現場總線網絡內建到工業以太網網絡，其主要優點是現有的現場總線裝置在今後仍能長期使用，進而保護使用者的投資。支援這種觀點的是由Profibus國際組織釋出的Profinet，它包含兩個概念，即開放的、面向對象的運作期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念。運作期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(運程程式調用)和DCOM，并對這些基本機制進行加強和優化，因而它适合于高實時性能要求的應用領域。工程概念包括建立工程對象模型，它不僅使使用者能通過不同制造商的組态工具進行開發，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應用專用的擴充功能，是以支援在單個工廠範圍內建不同制造商的産品。

　　 　　 　　

3. 實時通信系統

　　IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自動化的接口)采用美國California公司開發的位于第四層的NDDS實時通信系統，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬範圍強有力的應用服務。IDA的另一個重要特性是基于Web的裝置管理。所有現場裝置均有其本身的Web頁面，包括組态、操作和診斷參數，使用者可通過标準的浏覽器進行通路。基于XML的裝置描述簡化了系統的組态，并支援裝置的互操作性和互換性。IDA位于工業以太網的第七層，它還定義從第四層到第七層和應用接口(API)之間的通信，甚至還包括應用程式的标準程式設計接口。IDA集團在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術規範。IDA的模型如圖2所示。

二 嵌入以太網的I/O 　　

　　早在1998年，Foxboro公司就成功地将其Micro-I/A自動化系統中的以太網I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網将所有現場裝置、控制器和PC機工作站內建為一個高可靠、低成本的實時控制的資訊網絡。近年來，一些公司已推出不少以太網I/O産品，舉例如下：

　　(1)Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網I/O産品，并不斷擴充和改進其産品，如開發符合802.11和802.11b的無線電通路以太網産品和用于管理的SNMP以太網産品；

　　(2)National Instruments的Field Point I/O能提供現場裝置到以太網的連結；

　　(3)SixNet提供嵌入以太網晶片的I/O子產品；

　　(4)Optimation(Hutsrille, Ala)釋出内裝以太網的I/O新産品；

　　(5)Automation direct.com和Omron Electric聯合宣布的以太網I/O新産品已面市；

　　 6)GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化産品均支援與以太網的連結；

　　(7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套産品，聲稱是使傳統的自動化控制器能通路以太網的基礎結構；

　　(8)Action公司的子公司Busware公布以太網的E系列I/O子產品，如圖3所示。

　　此外，現在已有嵌入以太網晶片的智能現場總線裝置問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接配接到本公司的PLC系列，亦能連接配接到内裝有Web伺服器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠端存取Altivar 58變頻器的各種資料。

　　

三 網絡就是控制器 　

　　德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近釋出的Jetweb自動化系統立意新穎，它是基于100Mb/s以太網的分布式智能控制系統，宣稱“網絡就是控制器”的觀點。其特點是：(1)類似Internet的結構，對資料的實時傳輸不需要程式設計，不需要考慮網絡的層次結構；(2)對使用者來說，隻有一組資料和一個程式，所有資料在網絡中隻需表達一次，程式和資料均可以重複使用，網絡扮演真正伺服器的作用；(3)從傳感器到工廠管理層，隻有一條以太網總線進行直接通信；(4)可連接配接到Internet，實作整個工廠全球化聯網；(5)以太網既是連接配接到各種智能子產品的系統總線，又是連接配接現場裝置的現場總線，内部和外部的通信在此沒有什麼差別，集線器技術被內建在每個控制器中，通過配置設定位址空間将内部通信從外部通信中分離出來。

　　

四 小結 　　

　　Siemens Energy & Automation的網絡産品經理Horst Kohlbert說：“嵌入有以太網的現場裝置，以及嵌入的Internet伺服器不久都将成為現實”。這個預言提示工業以太網即将進入現場控制級。但從目前的趨勢來看，已有的現場總線仍将繼續存在，不太可能退出曆史舞台。在現場級，工業以太網能占領一定的市場，但它是否能作為實時控制通信的單一标準，一時難作定論，最有可能的是發展一種混合式控制系統。此外，并非每種現場總線都将被工業以太網總線所替代，如AS-i、CAN，這兩種現場總線就應用于二位I/O傳感器/執行器而言，無疑是最佳的(AS-i傳輸4位資料，且總線可帶電；CAN最多傳輸8個位元組)，還有一些專用總線，如SERCOS (用于數控，控制運動軸，為IEC61491國際标準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應用領域，均不适宜于工業以太網。另外，易燃、易爆(如化工、制藥)，以及環境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場合，也不适宜于應用工業以太網。

　　

　　 綜上所述，已有的現場總線有它自己的市場定位，将來仍将保持這種狀況，或與工業以太網相結合。現場總線不可能為工業以太網所替代，但後者發展的巨大潛力決不容忽視，其應用領域定将不斷地得到擴充。