前言

　　近二十多年由于通信技術、計算機技術、網絡技術的迅速發展，工業自動化控制領域也隨之得到了迅速的提高和改革，自動化工程師不僅將這種新技術大膽地運用到工業實踐中去，同時學術上也進行了激烈的爭論，其焦點無外乎于：

　　* 各種現場總線技術之爭

　　* 基于 PC 的控制器與 PLC 控制器的技術之爭

　　* 現場總線和工業以太網技術之爭

　　經過近二十年的爭論，現場總線已有了定論，八種總線歸納于一個 IEC 61158 的國際標準，這個標準的產生不僅僅是技術的應用的比較，更主要是顧及各國的經濟利益，八個標準互相不兼容， 成為一個無統一標準的國際標準，看來 OPC 這類純技術的標準，在 TC 65 委員會顯然行不通了。同時基于 PC 的控制器與 PLC 控制器的爭論也相持了十多年，相持不下，PLC 控制器生產廠雖然表示支持基于 PC 控制器的發展， 但是更多的處于觀望的態度，而基于 PC 的控制器新的開發廠，由于規模小，市場小， 資金短缺，一直處于劣勢，只有等待到大公司的醒悟，才會出現新的局面。 唯一感到欣慰是國際標準組織沒有將一種或幾種控制器作為國際標準， 還要留給了搞自動控制的人們一絲希望， 努力奮斗去搞新的技術和新的產品。 最近 PC 控制技術領域又出現新的跡象，新的工業控制器之爭又要展開，即 PAC 與 PLC 之爭，這一次新的爭論的起源恰恰與工業以太網技術在控制領域的應用和發展有關。

　　實際上是如何將現代通信技術應用到工業自動化控制問題的爭論。更深一步地分析， 就是現成廣泛應用的現場總線和日益發展的工業以太網技術的爭論，現場總線派反對工業以太網進入控制系統的現場層，以保持其在現場層信號傳輸的地位，而新的工業以太網派則低估現場總線的作用，將工業以太網技術說得神乎其神。 什么一網到底、 透明網絡等等， 原有的現場總線派利用它們在國際標準的優先條件，首先將 IEC 61158 的總線系統擴展到以太網領域， 既FF 總線發展成了 HSE， ControlNet 發展成EtherNet/IP， Profibus 和 Interbus 聯合發展成了ProfiNet，World-FIP 自動地退出了歷史舞臺。而更多原來沒有搞現場總線， 或者沒有機會進入現場總線標準的， 也想通過開發工業以太網技術直接打入到工業通信的標準中去。如 Modbus-TCP，PowerLink， EtherCat 以及我國的 EPA 都成為了PAS 文件。

　　IEC 61158 演變為 IEC 61784-1

　　總線基金會FF 發展成 HSE

　　ControlNet 發展成 EtherNet/IP

　　Profibus和Interbus 發展成 ProfiNet

　　IEC 61784 不排除新的技術的加入

　　Modbus-TCP，PowerLink，EtherCat，EPA.。。（PAS）

　　事實證明現代自動控制的發展是與現代通信技術的發展緊密相關的， 無論是現場總線還是工業以太網都對工業控制系統的分散化、 數字化、 智能化一體化起了決定性的作用。 因此縱觀上述的爭論是對我們如何看待工業以太網技術的迅猛發展有很大的啟示， 在爭論中我們需要對不同的工業以太網的技術有所了解，并對他們作一相應的比較， 從而明確未來工業以太網技術對工業控制系統的影響。下面對目前討論較多的幾種工業以太網技術作了略述。

　　１ 幾種工業以太網技術的簡介

　　自從1999年以來市場上出現了不少針對不同場合應用的工業以太網技術。其最大的特點就是基于TCP-IP 的技術，同時又根據實踐的具體應用的需要開發而成。

　?? 1.1 EtherCat（Ethernet for Automation Technology）

　　EtherCat是由德國自動控制公司Beckhoff開發的， 并在 2003 年底成立了 ETG （Ethernet Technology Group） ，目前有 130 個成員。一般常規的工業以太網的傳輸方法都采用先接收通信幀， 進行分析 （解密） 后作為數據送入網絡中的各個模塊的通信方法進行的， 而 EtherCat 的以太網協議幀中已包含了網絡的各個模塊的數據， 數據的傳輸采用移位同步的方法進行，即在網絡的模塊中得到其相應地址數據的同時，電報幀以傳送到下一個設備，相當于電報幀通過一個模塊時輸出相應的數據， 馬上轉入下一個模塊。 由于這種電報幀的傳送從一個設備到另一個設備延遲時間僅為微秒級，所以與其它以太網解決方法相比， 性能比得到了提高。在網絡段的最后一個模塊結束了整個數據傳輸的工作， 形成了一個邏輯和物理環形結構。所有傳輸數據與以太網的協議相兼容， 工作于雙工傳輸，提高了傳輸的效率。每個裝置又將這些以太網協議轉換為內部的總線協議。

　　圖２是 EtherCat 的工業以太網的協議的結構。

　　EtherCat 通過協議內部的優先權機制可區別傳輸數據的優先權（Process Data）， 組態數據或參數的傳輸是在一個確定的時間段中通過一個專用的服務通道進行（Acyclic Data）， EtherCat的操作系統的以太網功能與傳輸的 IP 協議兼容。

　　EtherCat 技術開發已經完成，專門的 ASIC 芯片也在實現之中。 目前市場上已提供了從站控制器。EtherCat 的規范也成為 IECE1588 （IEC 61158） PAS文件。

　　1.2 EtherNet/IP

　　基于 Ethernet TCP 或 UCP-IP 的 Ethernet/IP是工業自動通訊的一個擴展，這里的 IP 表示為 Industrial-Protocal。在 2000 年底 ODVA 組織首先提出 Ethernet/IP 的概念， 以后SIG （Special Interest Groups）進行了規范工作。ODVA 組織目前有300 多個成員， 并有自己的測試中心。

　　實際上， 所有的 Ethernet/IP 的 CIP （控制和信息協議） 已運用在ControlNet和Devicenet 上了。 這里將這一方法移植到 Ethernet 的 TCP/IP 和 UCP/IP 的通道上來實現。 Ethernet/IP 的規范是公開的，并由 ODVA 組織提供，另外除了辦公環境上使用的

　　HFTP、FTP、JMTP、SNMP 的服務程序，Ethernet/IP還具有生產者/客戶服務，容許有時間要求的信息在控制器與現場 I/O 模塊之間的數據傳送。非周期性的信息數據的可靠傳輸 （如程序下載、 組態文件）采用 TEP 技術，而有時間要求和同期性控制數據的傳輸由 UCP 的堆棧來處理。為了減少 Ethernet/IP在各種現場設備互相間傳輸實現的復雜性，Ethernet/IP預先規定了一些設備的標準規定， 如氣動設備等不同類型的規定。

　　CIP協議目前進行了以太網的準實時性和安全總線的實施工作， 采用 IEEE 1588 標準的分散式控制器同步機制的CIPsync和基于Ethernet/IP的技術結合安全機制實現的CIPSafty安全控制都在開發之中，2005 年出現 CIPSafty 的產品， 2006 年實現CIPsync的技術。

　　1.3 Ethernet PowerLink

　　最初，Ethernet PowerLink 是由奧地利Bernecher+Rainer 控制公司開發的， 在 2002 年 4 月公布了Ethernet Powerlink標準之后， 與其它公司共同成立了 EPSG 協會，（Ethernet PowerlinkStandandization Group）。共同來推廣 EthernetPowerLink 的技術和應用。其主要的成員有Hirschmann， Lenze， Kuka， Zuerich Univerisity等等。其主攻方面是同步驅動和特殊設備的驅動要求。 比如基于 IEEE 1588 標準的同步機制的技術等，將要實現。

　　在 Ethernet Powerlink 中， 以太網協議的常規的第三層 IP 第四層 TCP UCP 稱為 EthernetPowerlink 的棧，進行非同步數據的傳輸，而對快速同期性數據傳輸建立一個所謂的數據傳輸棧，Ethernet Powerlink 棧完全控制了網絡的數據交通（TRAFFIC）， 實際上是應用等時（slot）通訊網絡管理（SCNM ）功能并提供了實時性，每個設備具有嚴格時間限制的通行權利，可以在網絡中進行數據交換，在數據交換每個時間內只允許一個站可以獲取信息，這樣避免總線傳輸產生的碰撞問題，因此實現了傳輸時間確定，SCNM 的方法不僅能給 Isochron 數據提供不同的分時段， 而且也可給非同步數據傳輸提供公共的等分時段。

　　Powerlink的第二文本的通訊和設備描述繪是根據 CanOpen 來實現的，第三文本是根據 IEEE 1588來完成同步機制。 目前 Ethernet Powerlink 已有產品出現在市場上。

　　1.4 Modbus/TCP

　　Modbus/TCP 在美國比較流行，它有兩部分組成，即 IDA（分散式控制系統）的結構與 Modbus/TCP 的信息結構的結合。Modbus/TCP 是 Modbus協議的分支，是由 Modicon 開發的。 1999 年公布了其規范， 開始用在以太網上， 2004 年開始， Modbus/TCP 成為 PAS 文件，Modbus/TCP 基于以太網和標準 TCP/IP 技術，并直接安插在第四層的 TCP/UCP上。 它定義了一個簡單的開放式又廣泛應用的傳輸協議網絡用于主從通訊方式，一個綜合的結構的協議暫時沒有考慮。基本工作原理是將傳輸電報幀嵌入于 TCP/IP 的下層的協議幀中。 在物理層中進行傳輸。MODBUS 的幀包括了從站的地址，MODBUS功能碼和傳輸的數據， 這里控制碼沒有被應用， 因為校驗功能已在下層 （1-4） 被執行， 功能代碼表示必經完成的從站的動作， 習慣上一個從屬于MODBUS/TCP 的從站可用 MODBUS 功能來實現。

　　MODBUS/TCP 協議已被提高到 IETF（Internet Engineer Tast Force） 它將作為因特網的標準，這表示 MODBUS/TCP 也將與 FTP 一樣成為一個操作系統的一個共用部分，MOBDUS/TCP是最先基于以太網的以太網協議，所以在許多地方都得到了應用。

　　1.5 PROFINET

　　PROFInet 是在 SIEMENS 公司的支持下由 PNO（Profibus Nutzer/User Organisation）開發而成的。它的第一文本僅僅是非時間要求通信的以太網接口的設備和通過 PROXY 網關連結的實時性通信的PROFIBUS-DP 設備的結合體。從 2004 年開始開發與制定新的版本標準。提出了對 IEEE 802.1D 和IEEE 1588進行實時擴展的技術方案， 并對不同實時要求的信息采用不同的軟件和硬件的實時傳輸方法。

　　圖６表示了 PROFInetV2 和 V3 的通信協議模型。

　　在第二版本中， PROFINET 提出了兩種工業以太網的通信機制， 如圖 6 的左邊所示，采用TCP/IP協議通道來實現非實時數據的傳輸， 比方用于設備參數化、 組態和讀取診斷數據的傳輸。 而實時數據的傳輸是將 OSI 模型的第三層和第四層進行旁路， 實現實時數據通道， 傳輸的實時數據存放在 RT 堆棧上，實現傳輸時間的確定性。為了減少通信堆棧的訪問時間， V2 版本對協議中傳輸數據的長度作了限制。因此在實時通道上傳輸的數據主要是用于現場 I/O數據、 事件控制的信號與報警信號等。 為優化通信功能，PROFINET 根據 IEEE 802.1p 定義了報文的優先權，規定了 7 級的優先級。 其中最高級用于硬實時數據的傳輸。

　　PROFInet 的第三版本采用了 IRT （Isochronous RealTime）等時同步實時的 ASIC 芯片的硬件方法來實現具有數據同步傳輸功能的實時數據的傳輸，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間， 這樣一來， PROFInet 不僅能實現 CBA 的數據通信， 同時應用于快速的時鐘同步運動控制。

　　PROFInet 正在開發之中， 并有少量的設備和應用事例。

　　2 小結：幾種工業以太網技術的比較

　　下面采用表格的形式對幾種工業以太網作一比較，作為本文的小結。