工业以太网仅仅是不兼容的现场总线吗？

作者：Paula Doyle 晏波译

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 工业以太网作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议而开始的。然后许多人对它进行各种增添使它运行起来象现场总线，尤其当人们开始寻找确定性并需要使用实时操作时。其最新的版本真的在形式、功能和硬件方面与其办公室网络前辈一致吗？对此，我们专访了研究员Poula Doyle。 现场总线之间爆发的战争产生了多种不能互操作的协议，在诸多现场总线之间进行选择和实现特殊的协议不是一件容易和廉价的事情。能够贯穿工厂各个网络层的单一网络技术的想法导致工业以太网的出现。理想的解决方案是容易与现有的办公室架构和当前现场总线标准集成，为用户和开发人员提供用于所有设备的同源接口。这种状况看起来和生产商提供的专有解决方案（即为不同层提供服务，并提供不同层的可互操作性）一样。 IEC TC65委员会的当前工作就是考虑至少10种实时工业以太网。每个协议都是基于IEEE 802.3并与TCP/IP兼容。由于每个协议提供不同层的服务，系统要求应该更为方便地作出决定。当选择一种工业以太网解决方案时，关键是要仔细考虑你的系统要求，如： -它需要基于办公室通信的互操作吗？ -想在（COTS，checked test set）产品基础上建立解决方案吗？ -如果有的话，哪层需要实时通信？ 工业以太网和互操作性 这里所列举的5种解决方案都包含在IEC 工业以太网标准化的进程中，但是这种标准化的工业以太网将为用户提供什么呢？无须怀疑，工业以太网所带来的好处远超出了现有总线协议所带来的。以太网大的带宽、标准化的物理层和数据链路层以及在工厂（信息层）中的流行程度，这些特性都使以太网在现场总线层非常具有吸引力。 探索现场总线战争所引发的不兼容性问题，工业以太网的成功从OSI模型的第1和第2层开始，将取得现场总线标准化进程所不能达到的程度：互操作性。互操作性允许设备共享信息的通用视点，而不管其下层的协议，这样允许支持不同协议的设备可以有效地进行通信。互操作性允许用户基于质量选择设备，而不是根据设备支持什么协议而进行选择，并允许生产商容易地支持多协议，这就吸引更加广大的市场。 所有以下这5种具有代表性的解决方案都是在IEEE 802.3以太网（或以太网II）基础上运行的，因此它们都能在同一种电缆上物理地通信。每个协议支持多种等级的TCP/IP通信，这样（理论上）它们都能共存一直到OSI模型的第4层。所有的协议使用光纤或Cat5以太网电缆都能进行连网，这就允许任何协议的设备都能插入到以太网网络中。不幸地，这并不没有更多地意味着作为标准化解决方案的基础，即互操作性。 设备的互操作性依赖于其应用层的定义。设备固有地并不理解应用数据。但是，它们必须优先了解数据含义，这就是互操作性问题的症结所在，互操作性允许用户基于质量而不是根据设备支持哪种协议而选择设备。在一台设备上支持多种协议并不是通用的做法，因为这很昂贵也很难实现。 通用的应用层行规本应允许所有工业以太网设备能互操作（虽然它不能自动地保证两种不同的硬实时协议将维持其时间性）。但是，IEC 61784近期的标准化工作正致力于做通信行规的标准化系列，这提供的互操作性将是工业以太网标准化进程中最重要的组成部分。 正如每个协议所代表的不同，它们为不同层提供服务，因此一些协议在一些特殊的应用领域中已经成为了最佳的解决方案。相信每种协议都应该赋予其特殊的用途，以区别其它的协议，但是目标仍然是持续开发支持所有协议的工业以太网设备行规-这样就允许多种协议能够在网络上容易地实现互操作。这将允许用户选择一种完全适合其特殊应用的协议，并保证它将与传统的以太网系统互操作。 虽然我们应该抱有希望，但是很难预测是否通用的应用层技术（跨越所有当前工业以太网协议的规定）将被标准化。现有的工业以太网解决方案使用与原有现场总线兼容的（如果不是等同的话）设备行规；要实现一种通用的设备行规它能支持所有需要的传统协议是很困难的。它能实现吗？有可能，但是这需要用户和制造商的呼吁，而且即使实现了，也不能保证工业以太网标准化进程在协议的互操作性方面不重复现场总线进程。当前的现实情况使得仔细考虑所提供的解决方案以对应于系统的特定要求成为必要。对于互操作性和支持常规TCP/IP通信的程度的要求未必出自诚意，因而对于实时标准总是必须仔细审查。 一直以来，当新出现的产品迫不及待地强占市场份额时…买主必须自己当心产品的品质。 EtherNet/IP EtherNet/IP使用与DeviceNet和ControlNet相同的用户层和应用层，即控制和信息协议（CIP），这使这三种网络能完全地互操作。Ethernet/IP完全使用COTS组件。 当使用CIPSync时，Ethernet/IP能进行实时通信，它是基于IEEE 1588的高速CIP同步化解决方案。Ethernet/IP是非确定性的，选择UDP/IP堆栈和实时操作系统两者，对实时性能有很大的影响。 EtherCAT EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)规定的全双工快速以太网通信是基于主/从原则的，其中主站发起所有的传输。为了传递实时性能，EtherCAT在一个标准的以太网报文中封装了大量以太网命令。EtherCAT可以通过切换器与正常的基于TCP/IP的网络进行互操作。当EtherCAT位于一个切换器端口，其它任何基于以太网的通信（例如常规的TCP/IP）位于不同端口，这样不干预EtherCAT的运行，此时EtherCAT和任何基于以太网的协议都能并存。 Profinet Profinet协议规定在快速以太网上的全双工通信，并支持星型、线型和环型拓扑。Profinet-IRT通过使用集成了控制通信的2-或4-口智能切换器，支持以太网中基于TCP/IP通信的确定性通信。通信是循环的，每个周期分为标准的TCP/IP开放通道和确定性的RT通道。使用时间片技术使设备高度同步化并实现确定性通信。 Ethernet Powerlink Ethernet Powerlink（EPL）设备使用没有特殊芯片的COTS以太网硬件。但是，为了实现最小的循环时间和抖动，建议在EPL节点安装附加的处理器，单独执行EPL网络堆栈。EPL支持任何拓扑，网络由标准的类型2集线器所建立。 由于EPL是在共享IEEE 802.3介质上运行的硬RT协议，它使用主站设备控制介质访问因此避免了冲突。和EtherCAT一样，EPL使用EthernetII帧类型字段用于通信，封装EPL通信帧。 EPL上的通信在每个周期中的实时通道和非同步通道是循环的。在实时通道中，从站被主站轮询，在请求时传输。非同步周期允许传输IP帧，但仅当主站命令时才这么做。这种通信方式不支持在同一个段上的常规通信。但是，EPL可以通过EPL网关设备与常规的段接口。 Sercos III SercosIII不要求使用任何附加的集线器或切换器，它支持环型或线型拓扑。每个网络包括一个主站和多个从站。通信是循环的，主站控制节点的同步化。 在IP通道中通信的非Sercos以太网节点通过网关与SercosIII网络接口。 目前，有计划将SercosIII核集成到一般用途的模块中，这样给多种以太网协议提供硬件支持，因而在运行特殊协议时只要求软件驱动器。 参考： （1）M.Felser,工业以太网标准化-下一个战场，第5届工厂通信系统国际研讨会，奥地利2004.pp413-421。 Paula Doyle是Limerick大学的博士后研究人员。 晏波译自“The Industrial Ethernet Book”第27期 杨昌琨校对 原载《国内外机电一体化技术》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/6/2006)