工业以太网的发展与前景

工业以太网的发展与前景
摘要：随着以太网技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。

关键词：工业，以太网，发展，瓶颈，前景，DCS , TCP/IP
1.分散型控制系统DCS及其发展
现代意义的工业控制网络体系是出现在上世纪七十年代，即最初的分散型控制系统
DCS(也称集散控制系统)，它有着明显的缺点：首先，结构是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；其次，它还使用大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的4—20mA电流模拟信号，传输可靠性差，不易于数字化处理；第三，各系统设计厂家的DCS制定独立的标准，通讯协议不开放，极大的制约了系统的集成与应用，不利于现代跨国公司的进一步发展。

为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足工业现场的需要，现场总线技术应运而生。

经过四十年的发展，出现了过多的现场总线标准种类，且各有自己的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，控制系统中如果有多种现场总线同时存在，由于总线通信协议的多样性。

这样会使控制任务无限复杂化，另外在本质安全、系统可靠性、数据传输速度等方面存在一些技术瓶颈或不符合现代企业对信息的要求。

为了解决这些问题而出现了以TCP／IP协议为基础的工业以太网技术。

下面对工业以太网技术进行详细介绍。

2. 工业以太网的前世今生
用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。

究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。

另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。

现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。

同时现场总线的传输速率也远远不如工业以太网传输速率快。

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。

以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。

直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。

普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。

3. 以太网与工业以太网
以太网:
（1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽；
（2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界；（3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；（4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；
（5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
（6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。

工业以太网:
（1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连具有互操作性；
（2）可实现远程访问，远程诊断；
（3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等；
（4）网络速度快，可达千兆甚至更快；
（5）支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地；
（6）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系；
（7）可降低投资成本。

4. 主流应用层协议‐工业以太网协议
由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。

目前已经制定的工业以太网协议有MODBUS/TCP,HSE, EtherNet/IP, ProfiNet 等。

M ODBUS/TCP协议是法国施耐德公司1999年公布的协议，以一种非常简单的方式将MODBUS帧嵌入到TCP帧中。

这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。

这种呼叫/应答的机制与MODBUS的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。

利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。

施耐德公司已经为MODBUS注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌人Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。

已是中国国家标准，《基于Modbus协议的工业自动化网络规范第3部分:Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》标准号为：GB/Z 19582.3‐2004 HSE是基金会现场总线FF于2000年发布的工业Ethernet规范，是以太网协议IEEE802.3,TCP/IP协议族和FF H1的结合体。

FF现场总线基金会将HSE定位于实现控制网络与Internet的集成。

由HSE连接设备将H1网段信息传送到以太网的主干网上，这些信息可以通过互连网送到主控室，并进一步送到企业的EPP和管理系统。

操作员可以在主控室直接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。

therNet/IP是美国罗克韦尔公司于2000年发布的工业Ethernet规范，它很好地采用了当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。

IP代表Industrial Protocol,以此来与普通的以太网进行区分。

它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效的方法，允许工业现场设备交换实时性强的数据。

EtherNet/IP模型由IEEE802. 3标准的物理层和数据链路层、以太网TCP/IP协议和控制与信息协议CIP三部分组成。

CIP是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连接的协议，CIP有两个主要目的，一是传输同1/O设备相联系的面向控制的数据，二是传输其它同被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。

CIP协议规范主要由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表、信息管理等组成。

P rofiNet是德国西门子公司于2001年发布的工业Ethernet的规范。

该规范主要包括三方面的内容:1）基于组件对象模型（COM）的分布式自动化系统;2）规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间开放透明通信;3）提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。

ProfiNet的基础是组件技术，在ProfiNet中，每一个设备都被看成一个具有COM接口的自动化设备，同类设备都有相同的COM接口。

在系统中可以通过调用COM接口来调用设备功能。

组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间可以混合使用，简化了编程。

每一个智能设备都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程来实现。

同
类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口。

为不同厂家的设备之间提供了良好的互换性和互操作性。

已是中国国家标准指导性标准，标准号：《国家标准化指导性技术文件GB/Z 20541‐2006 PROFINET规范》
我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准EPA在国际标准化工作中取得了重大突破，已通过IEC/SC65C会员国家的投票被IEC发布为IEC/PAS 62409标准化文件作为第10类型列入实时以太网国际标准IEC 61784‐2 并将收录为现场总线国际标准IEC 61158第四版，成为中国第一个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准。

5.发展瓶颈
由于工业以太网是一个正在发展的标准其各种标准依然在指定和完善中因此在实际应用中依然存在着许多需要解决的问题具体表现如下：
①现行的工业以太网缺乏一个通用应用层工业标准如前所述以太网实际上只是一个物理层协议并没有规定统一的对话层和应用层协议当设备接收到一个数据报文时无法判断它是什么格式是字符串还是I/O变量值这个数据是如何组织的实际上现在有数个基于现场总线的公司标准如Modbus/TCP(TCP/IP 上的Modbus协议) EtherNet/IP (TCP/IP 上的
ControlNet/DeviceNet对象)和Profibus Ethernet等各个公司都可以提出自己的应用层协议而事态似乎正在朝着这个方向发展缺少统一稳定的工业标准虽然实际上多个应用层协议可以在同一个网络上并存但是必将增加高层监控软件和网络管理软件的开发费用影
响工业以太网的推广并且从现场总线的发展历史可以看出由于涉及巨大的商业利益现在各个设备供应商之间几乎不可能就一个统一的协议达成一致
②以太网协议缺乏实时性和确定
性以太网采用的CSMA/CD 协议不支持优先级它实际上不是一个可以保证报文实时传输的协议它只是尽量地发送报文它不但无法保证报文的到达更无法保证报文传输的时间限制对协议的分析可以看出在最坏
情况下报文需要等待无限长的时间这对那些需要实时性和确定性的工业应用是无法接受的虽然用户可以采用增加网络速度降低接入节点采用以太网交换机隔离碰撞域等措施提高网络性能但是组网成本也会因此而
增加
③缺乏通用的应用层的工业标准
实际上降低了设备的互操作性虽然以太网物理层保证了报文的传输但是它只提供报文发送的一种物理连接不保证报文的成功传输和正确解释显然缺少设备的互操作性很容易造成一种事实上的垄断用户一旦选择了一个厂商的产品在以后的扩展中就不得不继续选择这个厂商的产品用户肯定会担心供货的稳定性和价格虽然这种情况对于设备制造商是很有利的但是会影响一些用户的选择现场总线的发展历程对工业以太网的发展提供了有益的借鉴虽然现在工业以太网处于发展的初期阶段已经存在着形成一个统一应用层标准的强烈要求相应的国际组织也已经建立可以预料随着工业以太网产品供货商的增多和竞争的加剧最终市场的压力将使供应商提供一个标准应用接口现在的混乱将被规则取代它将成为一个开放和通用的协议
④报文头部比较大载荷数据相对较少相对现在广泛应用的一些现场总线协议而言报文利用率较低
⑤总线上无电源这不但增加了
重新购买电源和布置电源线的费用而且现有以太网线比现场总线更容易受到电磁干扰噪声干扰必将降低网络性能现在的解决方案一般使采用光纤通讯而光纤的使用将提高成本
⑥缺乏工业级的接插件商用以
太网中常用的RJ45塑料插头不适合在工业现场使用由于工业现场存在的腐蚀性气体震动维修和检测时的经
常拔插等问题因此需要一种通用工业级接插件一种工业级连接器对于推广工业以太网具有很现实的意义
但是工业级接插件的引入势必增加设备的投资
⑦随着工业以太网的进一步发展和普及用户会试图在一个网络节点上开发很多应用相应也会带来一些安全性问题综上所述由于工业以太网的工业标准没有最终确定其硬件和软件都需要在应用实践中不断改进对工
业现场的适用性也缺乏成功的具体应用案例因此工业以太网最终要在激烈的竞争中取得成功还有一段比较
长的路要走
6.工业以太网的前景
随着以太网技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。

随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议，以太网络更易于接近现场。

工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。

过程控制工业和自动化工业,从嵌入式系统到现场总线控制系统,都认识到了以太网和TCP/IP 的重要性,以太网和TCP/ IP 作为世界上最为广泛应用的网络协议,它将成为过程级和控制级的主要传输技术。

带TCP/ IP 协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/ O 模块中使用。

它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接,而无需任何专用设备。

因此可以说,工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台,从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。

以太网作为21 世纪未来工业网络的首选,它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景。

工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。

参考文献：
1．《Ethernet Technology and Its Application Prospect in Industry》
单位：上海复旦大学，山东省莱阳市电业公司，山东省华能国际电力股份有限公司济宁电厂作者：冯晓东，赵学明，田爱民
2．《工业以太网的发展及其技术特点》
作者：陈献铎，孙国锋，韩学岗
单位：濮阳市三安化工有限公司，山东省化-7研究院，。