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工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)
在現(xiàn)在，毫無疑問，以太網(wǎng)和 TCP/IP 協(xié)議已越來越多地被工業(yè)自動化技術(shù)所接受。其主要技術(shù)優(yōu)勢包括快速以太網(wǎng)、交換式和全雙工通訊已將過去的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶蟮耐ㄓ嵪到y(tǒng)，并受到了工業(yè)用戶和制造商的青睞。然而，工業(yè)自動化統(tǒng)一的應(yīng)用協(xié)議規(guī)范之夢卻顯得那么遙不可及。實際上當(dāng)現(xiàn)場總線技術(shù)剛剛出現(xiàn)的時候也曾出現(xiàn)過的問題，“是否將出現(xiàn)一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?” 在這個時候又被問到工業(yè)以太網(wǎng)上。答案是非常明確的－“不可能”。事實上目前已經(jīng)出現(xiàn)了14種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
以太網(wǎng)究竟提供了什么？
辦公室網(wǎng)絡(luò)的集成，IT功能，Internet/Intranet，遠程訪問。這些是由基于TCP/IP的以太網(wǎng)之上的應(yīng)用層協(xié)議提供的，例如SNMP, FTP, MIME, HTTP等。通訊一般是通過路由器和服務(wù)器進行IP尋址和TCP傳輸。 高速帶寬，大數(shù)據(jù)包可支持越來越多的設(shè)備進行通訊
支持同步的快速的實時通訊，可用于運動控制等對實時性要求極高的應(yīng)用。 連接和尋址更多和范圍更大的設(shè)備 統(tǒng)一的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES) 的連接 共同特性
盡管不同協(xié)議在第7層上有不同的實現(xiàn)方式，但還是有一定的共性。其共性包括共同的 1-4 層標(biāo)準(zhǔn)例如以太網(wǎng) IEEE 802.xx 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) ( 第1層 ) 、總線訪問技術(shù) (CSMA/CD, 第 2 層 ) 、網(wǎng)間協(xié)議 (IP ，第3層 ) 和 TCP 與 UDP 協(xié)議 ( 第4層 ) 。另外在第 7 層也能找到一些共同的元素，包括一些得到廣泛接受并使用的 IT 標(biāo)準(zhǔn)：超文本傳輸協(xié)議 (http) 、文件傳輸協(xié)議 (FTP) 和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 (SNMP) 等。
差異
其不同之處主要體現(xiàn)在總體通訊結(jié)構(gòu)、第 7 層工業(yè)應(yīng)用協(xié)議、對象模式和系統(tǒng)配置的工程模式方面。不同的概念可被歸結(jié)兩大類：封裝系統(tǒng)，例如： Ethernet/IP, Foundation Fieldbus HSE, Modbus-TCP ；和分布式自動化概念，例如 ProfiNet 。
封裝技術(shù)
封裝的概念是將報文裝入 ( 或嵌入 )TCP 或 UDP 容器。典型的例子就是由羅克韋爾和 ODVA 開發(fā)的 EtherNet/IP ，由現(xiàn)場總線基金會開發(fā)的高速以太網(wǎng) (HSE), 還有 Modbus-TCP 。在這些概念中，現(xiàn)場總線報文基本不變而在通過以太網(wǎng)發(fā)送之前作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入 TCP/UDP 幀。這種方法的優(yōu)勢在于將以太網(wǎng)的強大功能和可擴展的通訊媒體與現(xiàn)場總線完美地結(jié)合起來，而無需對整個通訊結(jié)構(gòu)和工程工具進行修改。另一個優(yōu)勢是，這種規(guī)范不需要進行很長時間的開發(fā)。因此首批產(chǎn)品已經(jīng)開始供貨并用于工業(yè)現(xiàn)場。另外它還便于實現(xiàn)對相應(yīng)現(xiàn)場總線協(xié)議的后向兼容。在這種概念中，以太網(wǎng)主要被當(dāng)作一種新的傳輸技術(shù)，作為已有現(xiàn)場總線諸如 DeviceNet, ControlNet, Modbus, Foundation Fieldbus H1 的互補或結(jié)合。
分布式自動化系統(tǒng)
第二類工業(yè)以太網(wǎng)的目標(biāo)是滿足全新的分布式智能自動化概念的通訊需要。在這種方式中，整個應(yīng)用分散在多個通過以太網(wǎng)連接的集散式控制器中。 Profinet 僅通過以太網(wǎng)實現(xiàn)對時間要求不嚴格的控制功能，而用網(wǎng)關(guān)概念連接用于嚴格實時通訊的 Profibus 系統(tǒng)。
實時性 vs IT功能
以太網(wǎng)TCP/IP通訊是非確定性的，其響應(yīng)時間通常超過100ms。遠程I/O需要的響應(yīng)時間為5-10ms。運動控制則要求更高的確定性，循環(huán)周期是在毫秒級。避免與同樣使用TCP/IP的IT報文的沖突以及獲得更高的實時性是采用以下幾種方式來實現(xiàn)的。
將現(xiàn)場總線或應(yīng)用協(xié)議內(nèi)嵌在TCP/IP中
使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP在應(yīng)用層內(nèi)嵌現(xiàn)場總線協(xié)議，這種方式保證了完全的IT開放性。實際是將以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線協(xié)議的通道。響應(yīng)時間與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)一樣，大約為100ms。在同一網(wǎng)段，節(jié)點數(shù)量少且數(shù)據(jù)包較小的情況下響應(yīng)時間會降至20ms。使用UDP代替TCP，響應(yīng)時間可能會進一步降至10ms。同一網(wǎng)段采用直接MAC尋址可將響應(yīng)時間降至接近1ms。時間同步可通過IEC61588方式實現(xiàn)。TCP/IP帶寬可保持在90-100%。
封閉的以太網(wǎng)段和特殊數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)
實時性可通過OSI模型第二層的特殊協(xié)議實現(xiàn)，特殊協(xié)議要用于網(wǎng)段中每一個設(shè)備。對于快速實時循環(huán)，循環(huán)周期可降至0.2ms，網(wǎng)段對于IT功能是封閉的。實時周期被分為時間槽，其中一個時間槽是對TCP/IP報文開放的。例如，0.2ms的循環(huán)時間，在一個網(wǎng)段有8個節(jié)點的情況下，每個槽的時間段為22us。這只允許非常短的TCP/IP報文(最多200個字節(jié))。對TCP/IP的帶寬大約為1%。
基于TCP/IP的應(yīng)用協(xié)議，帶報文優(yōu)先級的直接MAC尋址，以及通過特殊交換機實現(xiàn)快速實時性
標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP報文與IT報文任何情況下都是同時進行的，并不需要實時處理。根據(jù)高優(yōu)先級和直接MAC尋址可以創(chuàng)建一個虛擬實時通道，響應(yīng)時間可降至1ms。對于需要更快速度的設(shè)備，還可以使用內(nèi)置交換機，虛擬通道的響應(yīng)時間可降至0.2ms。這種方式為實時數(shù)據(jù)預(yù)留了一部分帶寬，但將主要部分開放給TCP/IP報文。TCP/IP帶寬大約為50-100%。
通過優(yōu)先級報文和時間同步實現(xiàn)TCP/IP上的實時性
這種方案主要解決運動控制與標(biāo)準(zhǔn)IT功能在TCP/IP上同時進行的應(yīng)用。實時性是通過帶有時間標(biāo)簽的優(yōu)先報文來保證，這些時間標(biāo)簽可被同步設(shè)備所理解。交換的延時(最大可達幾百毫秒)可由設(shè)備內(nèi)部進行補償。實時性可達1ms，抖動(Jitter)為10us。TCP/IP帶寬為90-100%。
通過特殊以太網(wǎng)物理層和特殊第二層協(xié)議實現(xiàn)實時性
在環(huán)形或雙電纜的物理層上運行特殊報文。實時性是通過內(nèi)部器件(如ASIC)和特殊尋址協(xié)議實現(xiàn)的。短幀的TCP/IP報文可以嵌入在特殊的協(xié)議包中，在主站側(cè)可以進行解包后轉(zhuǎn)發(fā)至普通以太網(wǎng)。與普通以太網(wǎng)連接要使用硬件網(wǎng)關(guān)。TCP/IP的帶寬大約為1%。
從設(shè)備制造商角度的結(jié)論
設(shè)備制造商要想在國際市場取得成功，必須要在其設(shè)備中支持所有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。即使以太網(wǎng)在 1-4 層是相同的，其應(yīng)用層協(xié)議和系統(tǒng)模式也完全不同。如果要自己開發(fā)來實現(xiàn)不同的協(xié)議將耗費巨大的資源。
同樣的問題在10年前對現(xiàn)場總線已經(jīng)提出過，而現(xiàn)在又再次對以太網(wǎng)提出。目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議所以您需要支持至少一種。那么我該開發(fā)哪一種？這不只是一個技術(shù)問題。我的產(chǎn)品要銷往哪里？Modbus TCP 全球安裝節(jié)點數(shù)最多，也是最早的以太網(wǎng)協(xié)議之一。在美國由于羅克韋爾的支持EtherNet/IP的應(yīng)用最廣。而如果在歐洲您可能還需要Profinet－這是西門子最近才發(fā)布的，為了可能將是一種重要的以太網(wǎng)協(xié)議。亞洲何種以太網(wǎng)協(xié)議最流行？這些問題會被不斷地提出，目前尚無一種確定的以太網(wǎng)協(xié)議能夠作為確切的答案。
從最終用戶角度的結(jié)論
與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的狀態(tài)相比，用戶有理由對工業(yè)以太網(wǎng)的未來表示樂觀。至少所有基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)未來都使用相同的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，相對于大量采用不同傳輸技術(shù)的現(xiàn)場總線來說這是一個相當(dāng)大的優(yōu)勢。在統(tǒng)一的以太網(wǎng)物理層之上，將存在著多種不同且不具有互操作性的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
就目前看來，工業(yè)以太網(wǎng)并不會取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，而是會開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，并向智能分布式自動化方向前進。
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