工业控制网络与Ethernet和TCP/IP技术

1 引言

20世纪80年代中期发展起来的现场总线(Fieldbus)技术，由于其适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，促进了目前的自动化仪表、DCS(Distributed Control System) 和PLC等产品所面临的体系结构和功能结构的重大变革，导致工业自动化产品的更新换代，从而给控制领域带来了一场革命。但是，目前现场总线标准不统一，多种总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现相互高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟，难以实现真正的开放性。而以太网以其低成本、通信速率高、高度开放性的优点逐渐受到人们的关注。

2 以太网技术介绍

2.1 以太网技术基础

以太网是由DEC、Intel和Xerox三家公司在20世纪70年代开发研制的。它采用的是载波侦听/冲突检测(CSMA/CD)的多路访问协议。设计以太网最初是为了使系统能够不局限于某一种传输介质，如光纤、同轴电缆、无线电波,因此取名为以太网。80年代中期，IEEE在DEC、Intel和Xerox三家公司开发的以太网基础上，制定了802.3LAN标准。因此，现在有IEEE的802.3LAN标准和DIX II以太网2个标准，但二者差别不大，他们的帧格式如图1所示。

图1 DIX Ethernet数据帧格式

在IEEE 802.3标准中，定义目的地址和源地址长度是2字节或者6个字节。因此帧的长度范围是64-1518个字节。需要注意的是在实际应用中，目的地址和源地址长度都是6字节，因此帧的实际最小长度为72个字节。

2.2 以太网技术的特点

以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，逐渐应用于工业现场。与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点:

(1) 成本低廉

目前以太网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的1/10。

(2) 应用广泛

以太网可以保证多种开发工具和开发环境可供选择。

(3) 通信速率高

目前以太网的通信速率为10Mbps，100Mbps的快速以太网已开始广泛应用，1000Mbps以太网技术也在不断成熟，10Gbps正在研究。

(4) 实现网络的无缝连接

在以太网上使用TCP/IP，它的开放性可以使测控网和信息网统一起来。现场信号可以在企业的Intranet上及时发布和共享，还可以在Internet/Intranet的任何位置对现场智能设备进行在线控制、功能组态和远程监控等，实现网络控制系统上真正的开放性和互操作性。

3 Ethernet认识误区

3.1 “以太网和TCP/IP等同”

大家在提到以太网的时候必然会提到TCP/IP，将以太网和TCP/IP混淆。

其实，以太网和TCP/IP是两个完全不同的概念，它们是各自独立发展起来的。

以太网本质上只是一个物理层标准。图2是OSI七层参考模型:

图2 OSI参考模型

以太网只定义了OSI参考模型的物理层和数据链路层。以太网是当今局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网(LAN)中采用的电缆类型和信号处理方法。在以太网中信息以以太网帧的形式传输(以太网帧分为两类即数据帧和管理帧)。

而TCP/IP是OSI参考模型的网络层和传输层。传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)主要是完成开放系统之间的数据传送控制。主要功能是开放系统之间数据的收发确认。同时，还用于弥补各种通信网络的质量差异，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。另外，通过复用、分段和组合、连接和分离、分流和合流等技术措施，提高吞吐量和服务质量。简单而言TCP的任务是按照其原先发送的顺序可靠的传输数据，过滤掉重复的，在可靠的数据传输不再可能实现的情况下重新发送数据并指示出错;网络层IP（Internet Protocol)规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。它的主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能，通过路由选择和中继功能，实现两个系统之间的连接。

当然，大家之所以将以太网和TCP/IP混淆，主要在于默认了以太网和TCP/IP两种技术的结合。只有将以太网和TCP/IP结合，才可以将以太网技术应用到工业现场控制网络，离开TCP/IP的以太网并不能实现任何功能,空洞的谈论以太网的优势就是无咎之谈。

3.2 “提高网络速度可以解决以太网应用于工业控制现场的实时性问题”

在相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高网络通信的确定性。但是，网络速率的提高，并不能彻底解决工业控制现场的实时性问题。

在工业控制现场，由于现场设备的地域分散性，现场设备间的信息交互是通过通信网络，以信息传递的方式来实现的。为了达到控制与监控等任务的要求，现场设备间的信息交互必须在一定的通信延迟时间内完成，即必须满足实时性要求。从信息发送到信息接收之间的全部通信延迟，称作端到端的通信延迟。通信延迟主要包括以下几方面的因素:

（1) 排队延迟:从信息进入排队队列，到此信息获取通信网络所需要的时间。排队延迟主要是由通信网络的媒体存取控制（MAC)协议和相应的信息调度算法决定;

（2) 发送延迟:从信息的第一个字节开始发送到信息最后一个字节发送结束所需要的时间。发送延迟取决于信息的大小和通信网络的通信速率;

（3）传输延迟:信息在现场设备间传输所需要的时间，传输延迟取决于通信网络在现场设备间的物理长度。

则有: T总延迟＝T排队延迟＋T发送延迟＋T传输延迟

以上分析可以看出，单纯的提高网络速度，只能解决发送延迟,如果排队延迟和传输延迟没有相应提高的话, 并不能彻底解决工业控制的实时性问题。因此,只有针对不同的通信延迟分别采取相应的手段才可以彻底解决工业控制的实时性问题。

3.3 “引入以太网可以彻底实现系统的集成问题”

以太网最典型的应用是Ethernet＋TCP/IP，即灵活的Ethernet底层加上几乎成为通用标准的网络传输协议TCP/IP，使得以太网能够非常容易的集成到以Internet和Web技术为代表的信息网络中。但是即使如此，若在应用层其协议规范不统一，依然不能实现数据的共享，不能实现同一个网络信息的互通。本着彻底实现开放性的目的，将以太网应用于工业控制，但是只是实现了底层上都采用Ethernet＋TCP/IP，在应用层上标准仍然不统一，因此也就不能实现彻底的系统集成。

4 Ethernet＋TCP/IP应用标准及相关协议

底层网络引入工业以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本，以太网的底层网络的延伸是必然的。因此，目前国际上一些自动化设备厂商和组织纷纷支持以太网并制定了不同的工业应用标准.目前,基于Ethernet＋TCP/IP的工业协议主要如下:

(1) Modbus TCP/IP

法国施耐德公司推出透明工厂战略，使其成为工业Ethernet应用者的坚决倡导者，Modbus TCP/IP是目前工业Ethernet事实的标准，并促进Ethernet在传感器和设备级的应用。

Modicon可编程控制器可以相互通信，且在许多网络上可与其他设备通信。被支持的网络包括Modicon的Modbus(标记为MB)、Modbus Plus(MB+)工业以太网以及诸如MAP和Ethernet。控制器中的内嵌端口和Modicon公司销售的网络适配器，可选模块和网关可从网络存取数据。在其它网络中，含有MB协议的报文被内嵌到用于网络的帧结构或包结构中;且Modbus TCP/IP描述了控制器所用的与另一个设备存取数据的进程，该设备如何响应，错误如何检测和报告。

Modbus层作为应用层，形成Modbus报文如图3所示。

(2) ProfiNET

德国西门子公司:1988年发布工业Ethernet白皮书。于2001年发布其工业Ethernet的规范，成为ProfiNET。

ProfiNET主要包括三方面的技术:a)基于组件对象模型(Component Object Module，COM)的分布式自动化系统;b)规定了ProfiNET现场总线和标准以太网之间的开放、透明通信;c)提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。

图3 Modbus TCP/IP模型

ProfiNET的基础是组件技术(Component Technology)。在ProfiNET中，每个设备都要被看作一个具有COM接口的自动化设备，同类设备都具有同样的COM接口。在系统中通过调用COM接口来调用设备功能。组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间能够混合使用，简化了通信编程。每一个智能设备中都有一个标准组件，智能设备的功能则通过对组件进行特定的编程来完成。同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口，为不同厂家的设备之间提供了良好的互换性和互操作性。COM对象之间还可通过DCOM连接协议进行互连和通信。

ProfiNET采用标准TCP/IP以太网作为连接介质，采用标准的TCP/UDP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接系统Profibus设备和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个设备(Proxy)连接到ProfiNET网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在ProfiNET中使用，传统的Profibus设备可以通过Proxy与ProfiNET上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。

(3) HSE

基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范，称为HSE(High Speed Ethernet)。

图5表示了HSE通信系统的模块结构。HSE是以太网协议802.3、TCP/IP协议族与FF H1的结合体。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干网上，这些信息可以通过互联网送到主控制室，并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控制室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样可以从网络获取控制信息。

图4 HSE通信系统的模块结构图

(4) EtherNet／IP

美国洛克韦尔自动化公司:2000年，发布了工业Ethernet规范，定义为EtherNET／IP。EtherNET／IP网络采用商业以太网通信芯片和物理介质，采用星型拓扑结构，利用以太网交换机实现各种设备之间的点对点连接，能同时支持10Mb/s和100Mb/s以太网的商业产品。它的一个数据包最多可达1500B，数据传输速率可达10/100Mb/s，因而采用EtherNET/IP便于实现大量数据的高速传输。图5是EtherNET/IP与OSI参考模型的比较。

图5 EtherNET/IP与OSE模型比较

EtherNET/IP模型由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、以太网TCP/IP协议族和控制与信息协议三个部分组成。前两部分为标准的互联网技术。EtherNET/IP模型的特色部分就是被称作控制和信息协议的CIP(Control Information Protocol)部分，它是1999年分布的，与ControlNet和DeviceNet控制网络中使用的CIP相同。CIP一方面提供实时I/O通信，另一方面实现信息的对等通信。其控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。

EtherNET/IP的许多模块有内置的网络服务器，能支持HTTP功能。模块、网络、系统数据信息可以通过标准的网络浏览器获得。

5 结论

工业界人士越来越认识到在工业控制中以太网和TCP/IP的重要性，以太网和TCP/IP作为广泛应用的网络协议，它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/IP协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/O模块中使用。它能够与工业信息管理系统实现无缝的连接，而无需任何专用设备。随着以太网速度的不断加快及在确定性、实时性、可靠性方面性能的不断改善，工业以太网无疑将在控制网络中扮演越来越重要的角色。因此，有人预言工业以太网在工业通信网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台,彻底实现管控一体化。

当然也必须清醒的认识到目前将工业以太网应用与工业现场还存在着一定的局限性。但是，计算机网络、以太网以及控制领域中各种新技术的出现、发展和融合,将引发控制领域更深层的变革。人们可以期待高度开放、使用灵活方便、功能强大的新型控制网络的出现。