隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)，因此，需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制層、管理層等各個(gè)層次的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過(guò)程，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，因此它通常應(yīng)滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性、總線供電等特殊要求和特點(diǎn)。 在這種背景下，20世紀(jì)80年代產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以全數(shù)字的通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，使得控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間不僅能傳輸生產(chǎn)過(guò)程測(cè)量與控制信息，而且能夠傳輸現(xiàn)場(chǎng)儀表的大量非控制信息，使得工業(yè)企業(yè)的管理控制一體化成為可能。并且促使目前的自動(dòng)化儀表、DCS和可編程控制器（PLC）等產(chǎn)品所面臨的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中存在不足： （1） 現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)過(guò)多，僅國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158就包含了8個(gè)類型，未能統(tǒng)一到單一標(biāo)準(zhǔn)上來(lái); （2） 不同總線之間不能兼容，不能真正實(shí)現(xiàn)透明信息互訪，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)縫集成; （3） 由于現(xiàn)場(chǎng)總線是專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，成本較高; （4） 現(xiàn)場(chǎng)總線的速度較低，支持的應(yīng)用有限，不便于和Internet信息集成。 什么是工業(yè)以太網(wǎng)？一般來(lái)講，工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。即滿足以下要求： （1） 環(huán)境適應(yīng)性 包括機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（如耐振動(dòng)、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（工作溫度要求為-40～+85℃，至少為-20～+70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN 50081-2、EN 50082-2標(biāo)準(zhǔn)。 （2） 可靠性 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品要適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。 （3） 安全性 在易爆或可燃的場(chǎng)合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全兩種方式。 （4） 安裝方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求。 為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定地工作的問題，一些公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器和交換機(jī)系列產(chǎn)品，安裝在標(biāo)淮DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。另外一些公司還專門開發(fā)和產(chǎn)生了用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的加固型連接件（如加固的RJ45接頭、具有加固RJ45接頭的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、加固型光纖轉(zhuǎn)換器/中繼器等），可以用于工業(yè)以太網(wǎng)變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與商用以太網(wǎng)設(shè)備之間的區(qū)別如附表所示。 眾所周知，以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制，而具有通信不確定性的特點(diǎn)，并一度成為它應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線的主要障礙。因此，僅僅通過(guò)采取一些措施，提高以太網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，工業(yè)以太網(wǎng)仍然沒有能夠解決通信實(shí)時(shí)性問題。 為此，世界各大公司開始研究基于以太網(wǎng)的通信確定性和實(shí)時(shí)性問題，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通過(guò)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。 2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應(yīng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場(chǎng)應(yīng)用需求，制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)IEC/SC65C/WG11定義，所謂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE（Real-time Ethernet），是指不改變ISO/IEC8802-3的通信特征、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組件或IEC1588的總體行為，但可以在一定程度上進(jìn)行修改，使之滿足實(shí)時(shí)行為： 實(shí)時(shí)性，即確定性通信; 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的時(shí)間同步行為; 充分、頻繁的長(zhǎng)度較短的數(shù)據(jù)交換。 為此，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)首先需要解決實(shí)時(shí)通信問題，同時(shí)，還需要定義應(yīng)用層的服務(wù)與協(xié)議規(guī)范，以解決開放系統(tǒng)之間的信息互通問題。 標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中，IEC/SC65C/WG11收到了包括中國(guó)EPA在內(nèi)的6個(gè)新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提案，這些提案均具有一定的特色。最后，在經(jīng)過(guò)幾次的認(rèn)真討論，并基于IEC/SC65C于2002年所作的“2007年前不再向IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中增加新的類型”的決定，工作組一致同意將新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議作為公共可用規(guī)范PAS（Publicly Available Specification）予以發(fā)布，2007年IEC61158修訂時(shí)，再考慮將這些PAS引入IEC61158。 目前現(xiàn)場(chǎng)總線體系中，基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議除了現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用行規(guī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，還包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6個(gè)新的提案。 HSE（High Speed Ethernet，高速以太網(wǎng)） HSE是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)在據(jù)棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。由HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò)獲得控制信息。 HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP，在應(yīng)用層和用戶層直接采用FF H1的應(yīng)用層服務(wù)和功能塊應(yīng)用進(jìn)程規(guī)范，并通過(guò)鏈接設(shè)備（Linking Device）將FF H1網(wǎng)絡(luò)連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設(shè)備同時(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，它的網(wǎng)橋功能能夠用來(lái)連接多個(gè)H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上面的H1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對(duì)等通信而無(wú)需主機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機(jī)可以與所有的鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接的H1設(shè)備進(jìn)行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可直接映射到標(biāo)準(zhǔn)功能塊或者“柔性功能塊”（FFB）中。 Profinet由Siemens 開發(fā)并由Profibus International支持，目前它有3個(gè)版本，第一個(gè)版本定義了基于TCP/UDP/IP的自動(dòng)化組件。采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP+以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來(lái)完成節(jié)點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過(guò)一個(gè)代理設(shè)備（proxy）連接到Profinet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在Profinet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過(guò)代理與Profinet上面的COM對(duì)象進(jìn)行通信，并通過(guò)OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對(duì)象之間的調(diào)用。它將以太網(wǎng)應(yīng)用于非時(shí)間關(guān)鍵的通信，用于高層設(shè)備和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)之間，以便將實(shí)時(shí)控制域通過(guò)代理集成到一個(gè)高層的水平上。 第二個(gè)版本中，Profinet在以太網(wǎng)上開辟了兩個(gè)通道：標(biāo)準(zhǔn)的使用TCP/IP協(xié)議的非實(shí)時(shí)通信通道，另一個(gè)是實(shí)時(shí)通道，旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。該協(xié)議減少了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以減小通信棧的吞吐量。為優(yōu)化通信功能，Profinet根據(jù)IEEE 802.p定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。最多可用7級(jí)。 Profinet第三版采用了硬件方案以縮小基于軟件的通道，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間。為連接到集成的以太網(wǎng)交換機(jī)，Profinet第三版還開始解決基于IEEE 1588同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)控制解決方案。 Ethernet/IP Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）由ROCKWELL定義，并由ODVA和ControlNet International支持。EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，能同時(shí)支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商業(yè)產(chǎn)品，Ethernet/IP協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP（Control Information Protocol）等三個(gè)部分組成，前面兩部分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設(shè)備間的互操作性，采用了ControlNet和Devicenet控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP，CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對(duì)等傳輸，其控制部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分則用來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。 EPA EPA是在國(guó)家科技部“863”計(jì)劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、重慶郵電學(xué)院、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位聯(lián)合成立了浙江中控技術(shù)股份有限公司總裁金建祥教授為組長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)起草工作小組起草。 EPA系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，每個(gè)控制區(qū)域即為一個(gè)微網(wǎng)段。每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進(jìn)行分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設(shè)備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，而不會(huì)占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。 處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備間的通信，需由相應(yīng)的EPA網(wǎng)橋進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個(gè)EPA接口，當(dāng)它需要轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，首先檢查報(bào)文中的源IP地址與目的IP地址、EPA服務(wù)標(biāo)識(shí)等信息，以確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，而不會(huì)發(fā)生采用一般交換機(jī)所出現(xiàn)的廣播風(fēng)爆。 而連接在每個(gè)微網(wǎng)段的EPA設(shè)備，通過(guò)其內(nèi)置的通信棧軟件，分時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送報(bào)文，以避免兩個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免報(bào)文碰撞，用戶可以預(yù)知其發(fā)出的信息在可預(yù)知的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的站點(diǎn)。 EPA系統(tǒng)中，支持IEEE 1588的時(shí)間同步，還支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀與EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀的并行傳輸。 EtherCAT EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國(guó)倍福Beckhoff公司開發(fā)，并由EtherCAT技術(shù)組（EtherCAT Technology Group，ETG）支持。它采用以太網(wǎng)幀，并以特定的環(huán)狀拓?fù)浒l(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)站均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關(guān)的數(shù)據(jù)，或并插入該站本身特定的輸入/輸出數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最后一個(gè)模塊向第一個(gè)模塊發(fā)送一個(gè)幀以形成和創(chuàng)建一個(gè)物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)系統(tǒng)，使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀比其他的數(shù)據(jù)（如組態(tài)或診斷數(shù)據(jù)，等）具有較高的優(yōu)先級(jí)。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的間隙（如間隙時(shí)間足夠傳輸?shù)脑挘┲袀鬏?，或者通過(guò)特定的通道傳輸。EtherCAT還保留標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)功能，并與傳統(tǒng)IP協(xié)議兼容。為了實(shí)現(xiàn)這樣的裝置，需要專用ASIC芯片，以集成至少兩個(gè)以太網(wǎng)端口，并采用基于IEEE 1588的時(shí)間同步機(jī)制，以支持運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)應(yīng)用。 Powerlink Powerlink由貝加萊B&R公司開發(fā)，并由Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化組（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。 Powerlink協(xié)議對(duì)第三、四層的TCP（UDP）/IP棧進(jìn)行了擴(kuò)展。它在共享式以太網(wǎng)網(wǎng)段上采用槽時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)管理（Slot Communication Network Management，SCNM）中間件控制網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量。SCNM采用主從調(diào)度方式，每個(gè)站只有在收到主站請(qǐng)求的情況下，才能發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，在一個(gè)特定的時(shí)間，只有一個(gè)站能夠訪問總線，所以沒有沖突，從而確保了通信的實(shí)時(shí)性。為此，Powerlink需采用基于IEEE 1588的時(shí)間同步。在其擴(kuò)展的第二版中，包括了基于CANopen的通信與設(shè)備行規(guī)。 VNET/IP VNET/IP由日本橫河Yokogawa開發(fā)，該協(xié)議的實(shí)時(shí)擴(kuò)展是實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在傳輸層采用UDP協(xié)議，但在IP棧協(xié)議層進(jìn)行了優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)。 TCnet TCnet是由日本東芝Toshiba開發(fā)的，它在MAC進(jìn)行了實(shí)時(shí)擴(kuò)展，并基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)開辟了兩個(gè)冗余通道連接。 Modbus-IDA Modbus/TCP由施耐德電氣定義，并由Modbus-IDA支持，它在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用Modbus協(xié)議。其實(shí)時(shí)擴(kuò)展采用了在UDP上的實(shí)時(shí)發(fā)布者預(yù)訂者（Real-time Publisher Subscriber，RTPS）。 Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，直接應(yīng)用第四層。它定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、開放和廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。 IDA結(jié)構(gòu)可用于實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)應(yīng)用。其確定性通信可以通過(guò)IDA中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)。中間件包含了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus/TCP協(xié)議。IDA還采用基于Web的通信應(yīng)用，提供了水平和垂直的集成，并擴(kuò)展了Web服務(wù)器的應(yīng)用。 從工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展形勢(shì)看，盡管各種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可能會(huì)像現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際之爭(zhēng)那樣，出現(xiàn)多協(xié)議并存局面，但國(guó)際上已形成基本一致看法，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展不可能離開國(guó)際主流信息技術(shù)發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣。在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)上，IT領(lǐng)域中很多主流技術(shù)必將對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。