步入控制领域的工业以太网

几年前，当现场总线大战硝烟正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网却悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，是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，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说，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相互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出现“自动化孤岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。以太网有以下优点：

(1)具有相当高的数据传输速率(目前已达到100Mb/s)，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。

至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，可将发生数据冲突的概率降到最低。此外，如Hirschmann公司已开发出一系列加固的、适合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器件，如导轨式收发器、集线器、切换器、连接件等;Woodhead Connectivity公司推出保护等级为IP67的RJ-45连接器件。凡此种种，给以太网进入实时控制领域创造了条件。正因为如此，ARC(Automation Research Company)预测今后Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日发布的调查报告中预测，在工业控制应用领域，以太网的世界市场份额将由1998年的8.4%跃升为2003年的22%，是各种总线中升幅最大的。

目前世界上已有一些国际组织从事推动以太网进入控制领域的工作，如IEEE(美国电气和电子工程师协会)正在着手制订现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。IAONO(工业自动化开放网络联盟)最近与ODVA和IDA集团就共同推进Ethernet和TCP/IP达成共识。ODVA(DeviceNet供应商协会)于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。FF(现场总线基金会)于2000年3月29日公布了高速以太网(100Mb/s)的最终技术规范(FSI1.0)。工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group等单位合作，开展工业以太网关键技术的研究。目前1000Mb/s以太网的发展已进入实用阶段，虽然其价格还比较昂贵。由以上分析可知，以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。本文概要介绍工业以太网最近的一些进展，并对今后的展望作一些探讨。

一 在应用层中的进展

1. 封装

众所周知，以太网自身只提供一系列的物理介质定义和一个共享的构架。构架包括物理介质、帧格式和LAN设备数据的寻址格式，即它只提供物理层和数据链路层。而Ethernet、TCP/IP则包含IP协议(层三)、TCP或UDP协议(层四)，当以太网用于信息技术时，第七层含有HTTP(超级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、SNMP(简单网络管理协议)、SMTP(简单电子邮件传送协议)和Telnet(远程登录)等。但当它用于工业控制时，体现在第七层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。对这些不同的概念进行组装称为“封装”(Encapsulation)。TCP/IP支持基于异种操作系统的异种网络间的互联，它是真正的开放系统通信协议，已成为目前国际上进行异种网络互联的事实上的标准。

“封装”是将报文帧嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA开发的Ethernet/IP、FF开发的HSE(高速以太网)、Schneider Electric开发的Modbus TCP/IP。所有这些协议数据在发送到以太网以前，现场总线报文基本上没有什么变化并作为“用户数据”嵌入到TCP/IP帧内，