原创 工业以太网的发展现状和未来

在工业以太网没有到来之前，工控行业的发展可以说是步履维艰，为什么这么说呢，因为在工业以太网之前传统的工控行业是靠串口等低速或者短距离通信设备来通信，这就大大限制了工控设备的互联和监控。那工业以太网的发展现状是怎样的呢？它的前景又在哪呢？

所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

1 工业以太网技术发展现状

随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：

1.通信确定性与实时性

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。 然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1 000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信)，或碰撞机率大大降低(半双工)，因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

2. 稳定性与可靠性

Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等)，故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。 随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。台湾四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工业以太网产品—MOXA EtherDevice Server(工业以太网设备服务器)，特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备(如 PLC、HMI、DCS系统等)。 最近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。

3. 工业以太网协议

由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。 对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主(已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准)。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP(WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet+TCP/IP协议之上，建立完整的、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和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的(续致信网上一页内容)高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。 (1) HSE(High Speed Ethernet，高速以太网) HSE是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线H2之后的新作。FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。 HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。 (2) PROFInet Profibus国际组织针对工业控制要求和Profibus技术特点，提出了基于以太网的PROFInet，它主要包含3方面的技术：① 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统；② 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；③ 提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。 PROFInet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFInet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与PROFInet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。 (3) Ethernet/IP Ethernet/IP(以太网工业协议)是主推ControlNet现场总线的Rockwell Automation公司对以太网进入自动化领域做出的积极响应。Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品，Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)等3个部分组成，前面两部分为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP，CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。

 2 工业以太网技术未来和方向 

纵观当今工业以太网的发展趋势和市场需求，未来以太网有以下几种发展方向

1． 未来网络拓扑结构

在总线系统中，用户习惯把现场设备使用菊花链连接。因此，自动化厂商现在生产的以太网设备都兼容地支持菊花链技术，或者说，在现场设备上安装2个交换端口。但对比使用独立的工业以太网交换机，其交换成本却随着设备数量的增加而增加。另一个劣势是碰到流量突发时，以菊花链式连接的交换机吞吐量和带宽会受到限制，因为所有的用户不得不通过一条共同的线缆通信。环形连接的重要优势在于一方面减低了布线成本，另一方面能够提高链路可靠性，举例来说，当一处不能正常工作时，通信不受影响。因此必须根据应用和需求来决定到底哪种方式才是合适的。

2.让交换机学习自动化语言

大型的自动化厂商使用它们自己的基于以太网的应用协议，类似于EtherNet/IP, Profinet 或Modbus/TCP。这些协议都支持标准的TCP/IP，所以这类应用中，标准的工业以太网交换机也可以使用。SNMP协议已被广泛使用于商用环境中，用于交换机的配置和诊断。然而，自动化中使用的配置工具不支持SNMP协议，因此很难用来配置相应的交换机。所以赫思曼公司开始让交换机学习自动化的语言，将来使用PLC、驱动设备或I/O来配置交换机都会成为可能。对用户来说最大的益处是可以用熟悉的自动化工具配置网络了，并且一张完整的材料单也可以被轻松地创建。

3.安全增长的重要性

自从工业以太网能够实现从管理级到现场级一致的数据传输，用户只需要掌握一种网络技术即可，同时，也提高了工作效率。可是，统一的网络结构也因为整体的网络透明度承担了一定的风险。例如：生产线中的机器人的IP地址能被任何工作站操作。因此就必须有一套明确的规则来定义通讯的时间和对象。当然仅在公司的出口端安置一台防火墙来抵制外部的攻击是远远不够的。导致一个致命的错误甚至停机事故的往往是来自内部的误操作，所以分布式安全体系在自动化领域是非常关键的。因为这样，整个系统或系统部件可以被分割为独立的安全单元，各个安全的单元之间通过定义的规则来通信。

4.无线网络提供新的应用可能

如今无线网络技术(Wireless LAN(Wireless Local Area Networks))被广泛应用在办公环境中。移动性、灵活性、非常易于安装、低成本，无线通信的这些优点，使得这项技术渐渐被应用于工业环境中。现在WLAN越来越多的成为传统有线网络的一种补充。典型的应用是在生产物流的移动终端上，操作和监控生产线或提供在线数据的快速交换。例如预定数据可以从监控中心直接送到仓库的铲车上。

现在已有不少工业级的WLAN设备面市，它们都基于IEEE 802.11b/g/a/h协议，可以提供约100Mbit/s的数据传输速度。传输距离方面，如果在5GHz频率下使用合适的天线，可以达到20公里。赫思曼的无线网络解决方案就能满足这样的需求。将来，扩展的协议IEEE 802.11n将进一步规范WLAN在工业环境中的标准。新的标准可能在明年开始实行，届时数据通信将更可靠，速率也更高，可达640Mbit/s，甚至在无线电通信条件很差的环境中。

工业环境下的无线电网络也会根据WLAN的应用有具体的区分。例如应用在距离70公里之上的数据传输WiMAX(IEEE 802.16)或应用于近距离传输的Bluetooth(IEEE 802.15.1)和Zigbee(IEEE 802.15.4)。Zigbee非常有意思，由于其低功率的消耗，所以非常适合传感器间的无线通讯。但是，这项技术在工业环境中的广泛应用可能还需要几年时间。

5.更高的网络带宽的趋势

有线和无线的网络都需要越来越高的网络带宽。在工业环境中，特别是在控制层，快速以太网(100Mbit/s)差不多被默认为当今的主流。但是，在自动化和办公环境中都越来越趋向于千兆以太网(Gigabit Ethernet)。原因可以归结为以下三点：首先，越来越多的现场设备通过以太网连接，随着设备数量的增加带宽需求也增加了。第二，多种服务，例如控制数据，IP电话或IP视频也快速增长，并在同一根的线缆上传输。第三，千兆以太网有十倍于快速以太网的交换能力，许多实时的应用可以在标准的千兆以太网环境中实现。赫思曼已在2007年初推出了万兆的工业级交换机。同无线解决方案面临的问题一样，更高的传输速度意味着高功率的消耗和高成本的芯片。但是，随着芯片成本的降低，千兆以太网将会在工业环境中日益普及。