工业以太网技术的介绍和比较

ｆｕｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｅｔｈｅｍｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｍｅｔ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣ ＩＥＣ ６１ １５８ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥｔｈｅｒＣａｔ
ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ ＥｔｈｅｒＮｅｔ ＰｏｗｅｒＬｉｎｋ Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ Ｐｒｏｆｉｎｅｔ
发展成ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ
Ｐｒｏｆｉｂｕｓ和Ｉｎｔｅｒｂｕｓ 发展成ＰｒｏｆｉＮｅｔ
ＩＥＣ ６１７８４
不排除新的技术的加入
Ｍｏｄｂｕｓ－ＴＣＰ，ＰｏｗｅｒＬｉｎｋ，ＥｔｈｅｒＣａｔ，ＥＰＡ…（ＰＡＳ）
事实证明现代自动控制的发展是与现代通信技
术的发展紧密相关的，无论是现场总线还是工业以
太网都对工业控制系统的分散化、数字化、智能化
ｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ），目前有１３０个成员。
一般常规的工业以太网的传输方法都采用先接 收通信帧，进行分析（解密）后作为数据送入网络中
的各个模块的通信方法进行的，而ＥｔｈｅｒＣａｔ的以太
网协议帧中已包含了网络的各个模块的数据，数据
的传输采用移位同步的方法进行，即在网络的模块
中得到其相应地址数据的同时，电报帧以传送到下
收稿日期：２００５－－０７－１ ８ 作者简介：杜品圣，男，工学博士，长期从事工业自动化理论和 应用工作，完成了近百个工程项目。从１ ９９６年开始研究通信技术 ——现场总线和工业以太网技术在自动化控制系统中的应用。目 前担任德国普世电源公司中国首席代表，先后发表了几十篇文章 和一些著作。
图１ 工业控制网络中的金字塔关系 同时基于ＰＣ的控制器与ＰＬＣ控制器的争论也 相持了十多年，相持不下，ＰＬＣ控制器生产厂虽然 表示支持基于ＰＣ控制器的发展，但是更多的处于观 望的态度，而基于ＰＣ的控制器新的开发厂，由于规 模小，市场小，资金短缺，一直处于劣势，只有等 待到大公司的醒悟，才会出现新的局面。唯一感到欣 慰是国际标准组织没有将一种或几种控制器作为国 际标准，还要留给了搞自动控制的人们一丝希望，努 力奋斗去搞新的技术和新的产品。最近ＰＣ控制技一次新的争论的起源恰 恰与工业以太网技术在控制领域的应用和发展有关。
公共的等分时段。 Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ的第二文本的通讯和设备描述绘是根
据ＣａｎＯｐｅｎ来实现的，第三文本是根据ＩＥＥＥ １ ５ ８８ 来完成同步机制。目前Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ已有产 品出现在市场上。 ２．４ Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ
Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ在美国比较流行，它有两部分组 成，即ＩＤＡ（分散式控制系统）的结构与Ｍｏｄｂｕｓ／ ＴＣＰ的信息结构的结合。Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ是Ｍｏｄｂｕｓ 协议的分支，是由Ｍｏｄｉｃｏｎ开发的。１９９９年公布了 其规范，开始用在以太网上，２００４年开始，Ｍｏｄｂｕｓ／ ＴＣＰ成为ＰＡＳ文件，Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ基于以太网和标 准ＴＣＰ／ＩＰ技术，并直接安插在第四层的ＴＣＰ／ＵＣＰ 上。它定义了一个简单的开放式又广泛应用的传输 协议网络用于主从通讯方式，一个综合的结构的协 议暂时没有考虑。基本工作原理是将传输电报帧嵌 入于ＴＣＰ／ＩＰ的下层的协议帧中。在物理层中进行传 输。ＭＯＤＢＵＳ的帧包括了从站的地址，ＭＯＤＢＵＳ 功能码和传输的数据，这里控制码没有被应用，因为 校验功能已在下层（１－４）被执行，功能代码表示必 经完成的从站的动作，习惯上一个从属于 ＭＯＤＢＵＳ／ＴＣＰ的从站可用ＭＯＤＢＵＳ功能来实现。
ＣＩＰ协议目前进行了以太网的准实时性和安全总 线的实施工作，采用ＩＥＥＥ １５８８标准的分散式控制 器同步机制的ＣＩＰｓｙｎｃ，［１基于Ｅｔｈｅｍｅｔ／ＩＰ的技术结 合安全机制实现的ＣＩＰＳａｆｔｙ安全控制都在开发之中， ２００５年出现ＣＩＰＳａｆｔｙ的产品，２００６年实现ＣＩＰｓｙｎｃ 的技术。
２．３ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＰｏｗｅｒＬｉｎｋ
图２是ＥｔｈｅｒＣａｔ的工业以太网的协议的结构。
图２ ＥｔｈｅｒＣａｔ结构 ＥｔｈｅｒＣａｔ通过协议内部的优先权机制可区别传 输数据的优先权（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄａｔａ），组态数据或参数的 传输是在一个确定的时间段中通过一个专用的服务 通道进行（Ａｃｙｃｌｉｃ Ｄａｔａ），ＥｔｈｅｒＣａｔ的操作系统的以 太网功能与传输的ＩＰ协议兼容。 ＥｔｈｅｒＣａｔ技术开发已经完成，专门的ＡＳＩＣ芯 片也在实现之中。目前市场上已提供了从站控制器。 ＥｔｈｅｒＣａｔ的规范也成为ＩＥＣＥｌ５８８（ＩＥＣ ６１ １５８）ＰＡＳ 文件。 ２．２ ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ｌＰ 基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＴＣＰ或Ｕ ＣＰ－ＩＰ的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＩＰ 是工业自动通讯的一个扩展，这里的ＩＰ表示为Ｉｎ－ ｄｕｓｔｒｉａｌ—Ｐｒｏｔｏｃａｌ。在２０００年底ＯＤＶＡ组织首先提 出Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＩＰ的概念，以后ＳＩＧ（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒ－ ｅｓｔ Ｇｒｏｕｐｓ）进行了规范工作。ＯＤＶＡ组织目前有 ３００多个成员，并有自己的测试中心。
图３ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＩＰ的结构 实际上，所有的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＩＰ的ＣＩＰ（控制和信 息协议）已运用在ＣｏｎｔｒｏｌＮｅｔＳＮＤｅｖｉｃｅｎｅｔ上了。这 里将这一方法移植到Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的ＴＣＰ／ＩＰ和Ｕ ＣＰ／ ＩＰ的通道上来实现。Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＩＰ的规范是公开的，
万方数据
仪—蓦—仪—表—赫—准—化—与面计酊酬１■上■／●
前言 近二十多年由于通信技术、计算机技术、网络技
术的迅速发展，工业自动化控制领域也随之得到了 迅速的提高和改革，自动化工程师不仅将这种新技 术大胆地运用到工业实践中去，同时学术上也进行 了激烈的争论，其焦点无外乎于：
ｔ各种现场总线技术之争 水基于ＰＣ的控制器与ＰＬＣ控制器的技术之争 木现场总线和工业以太网技术之争 经过近二十年的争论，现场总线已有了定论，八 种总线归纳于一个ＩＥＣ ６１１５８的国际标准，这个标 准的产生不仅仅是技术的应用的比较，更主要是顾 及各国的经济利益，八个标准互相不兼容，成为一 个无统一标准的国际标准，看来ＯＰＣ这类纯技术的 标准，在ＴＣ ６５委员会显然行不通了。
说得神乎其神。什么一网到底、透明网络等等，原有 的现场总线派利用它们在国际标准的优先条件，首
先将ＩＥＣ ６１ １５８的总线系统扩展到以太网领域，既
ＦＦ总线发展成了ＨＳＥ， ＣＯｎｔｒｏｌＮｅｔ发展成
ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ和Ｉｎｔｅｒｂｕｓ联合发展成了
ＰｒｏｆｉＮｅｔ，Ｗｏｒｌｄ－ＦＩＰ自动地退出了历史舞台。而
万方数据
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实际上是如何将现代通信技术应用到工业自动化控
制问题的争论。更深一步地分析，就是现成广泛应
用的现场总线和日益发展的工业以太网技术的争论，
现场总线派反对工业以太网进入控制系统的现场层，
以保持其在现场层信号传输的地位，而新的工业以 太网派则低估现场总线的作用，将工业以太网技术
一个设备，相当于电报帧通过一个模块时输出相应
的数据，马上转入下一个模块。由于这种电报帧的传
送从一个设备到另一个设备延迟时间仅为微秒级， 所以与其它以太网解决方法相比，性能比得到了提 高。在网络段的最后一个模块结束了整个数据传输 的工作，形成了一个逻辑和物理环形结构。所有传 输数据与以太网的协议相兼容，工作于双工传输，提 高了传输的效率。每个装置又将这些以太网协议转 换为内部的总线协议。
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工业以太网技术的介绍和比较
Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 杜品圣
（德国普世电源公司上海代表处，上海市２００２３３）
Ｄｕ Ｐｉｎｓｈｅｎｇ
阳ｅｒｍａｎｙ Ｐｕｌｓ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｉｅｓ ＧｍｂＨ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏ伍ｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３） 【摘要】 近二十多年由于通信技术、计算机技术、网络技术的迅速发展，工业自动化控制领域也随之得
更多原来没有搞现场总线，或者没有机会进入现场总
线标准的，也想通过开发工业以太网技术直接打入到
工业通信的标准中去。如Ｍ Ｏ ｄ ｂ Ｕ Ｓ—Ｔ Ｃ Ｐ， ＰｏｗｅｒＬｉｎｋ，ＥｔｈｅｒＣａｔ以及我国的ＥＰＡ都成为了
ＰＡＳ文件。
ＩＥＣ ６１ １５８
演变为ＩＥＣ ６１７８４—１
总线基金会ＦＦ
发展成ＨＳＥ
ＣｏｎｔｒｏｌＮｅｔ
最初，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＰｏｗｅｒＬｉｎｋ是由奥地利 Ｂｅｒｎｅｃｈｅｒ＋Ｒａｉｎｅｒ控制公司开发的，在２００２年４月 公布了Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ标准之后，与其它公司 共同成立了ＥＰＳＧ协会，（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ Ｓｔａｎｄａｎｄｉｚａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ）。共同来推广Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｐ Ｏｗ ｅ ｒＬｉｎｋ的技术和应用。其主要的成员有 Ｈｉｒｓｃｈｍａｎｎ，Ｌｅｎｚｅ，Ｋｕｋａ，Ｚｕｅｒｉｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ 等等。其主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要 求。比如基于ＩＥＥＥ １５８８标准的同步机制的技术等， 将要实现。
合应用的工业以太网技术。其最大的特点就是基于 ＴＣＰ－ＩＰ的技术，同时又根据实践的具体应用的需要
开发而成。
２．１ ＥｔｈｅｒＣａｔ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
ＥｔｈｅｒＣａｔ是由德国自动控制公司Ｂｅｃｋｈｏｆｆ开发
的，并在２００３年底成立了ＥＴＧ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌ－
ＩＰ ＥｔｈｅｆｔＮｅｔ ＰｏｗｅｒＬｉｎｋ Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ Ｐｒｏｆｉｎｅｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ２０ ｙｅａｒｓ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆＩＴ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｖｅｒｙ ｑｕｉｃｋｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ．Ｌｏｔｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｘｉｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｖｅｒｙ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ：ｈｏｗ ｔｏ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆｍｏｄｅｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆａｃｔ ｉｓ ｒｅｇｒａｒｄｌｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｏｒ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｅｔｈｅｍｅｔ，ｍｏｄｅｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｄｅｃｉｓｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｃｌｅａｒ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ