彭  瑜

1  以太网技术快速发展
信息技术正在如火如荼地推动各行业的发展，这就为以太网技术进一步的高速发展注入了强大的推动力。10Mbps的以太网传送1 518字节需要的时间不大于1.2毫秒，而1 000 Mbps的以太网只要用12微秒。在以太网上传输多媒体信息（图象/声音）要求时延不大于20~30毫秒。
随着百兆网(100Mbps)、千兆网(1Gbps)的普遍使用，现在万兆网(10Gbps)业已问世。万兆网的标准IEEE 802.3ae《10Gbps操作运行的介质存取控制参数、物理层和管理参数》（Media Access Control Parameters，Physical Layers and Management Parameters for10Gbps Operation）已于2002年6月18日正式颁布[1]。它为以千兆网为光缆、全双工主干网的升级，提供了直接的途径。万兆网可用于LAN、WLAN和MAN（城域网，因采用单模光缆其长度可达40公里）。IEEE关于以太网实时能力的标准IEEE 802.1D/P 以及关于交换式以太网技术的标准IEEE 802.1Q，早在1998年年底就已得到验证。利用集线器Hub实现以太网冗余的技术已经成熟。除用双绞线传输信号外，还利用另一对双绞线供电的以太网标准IEEE 802.3af也正在制定中，目前非正式文本已经公布。
为适应多媒体通信的要求，以太网TCP/IP的数据帧由原来的1 518字节增加至1 522字节，这4个字节中有3位用来定义声音、图像、数据文件和e-Mail在传输中的优先权，还有12位用作虚拟局域网（VLAN）的识别码^[2]。
由于以太网是一种规模可大可小的网络技术，通过对网络进行网段细分(micro-segmenting)，即全双工端口交换，可以用一种简单的方式向用户提供他们所需要的带宽，并且平衡所有网络用户和网络设备的带宽需求^[3]。因此，解决了以太网的实时通信要求，保证了通信的确定性。这就为以太网技术用于工业控制和管理创造了前提条件。
以上这些都说明已经成熟的以太网技术还在向新的应用领域扩展。美国自动化研究公司ARC预计，第二次以太网革命将在从现在起的几年内完成。
在信息技术的推动下，从控制系统到管理系统正在迅速走向一体化。ABB公司打出Industrial IT的旗号， Siemens公司提出的TIA（Total Integration Automation )，Rockwell Automation公司强调的电子制造e-Manufacturing，无一不是与以太网技术相联系的。采用以太网技术，利于实现彻底的分散控制，可以实现远程诊断和远程维护，使以万维网为基础的所有手段可毫不费力地移植到管控一体化系统中。采用以太网技术和TCP/IP，可以完美地解决横向通信及纵向通信在物理层、数据链路层、网络层和传输层采用统一的通信协议的问题。
不少人向往以太网“一网到底”，即在信息层、控制层和现场层之间的纵向通信，以及在同一层（特别是现场层）之间各节点的横向通信，都采用以太网技术，也在实施不同的技术解决方案。目前它的进展如何，发展的趋势可能是怎样的，这是本文想探讨的。
2   以太网的时间确定性的解决
在工业控制系统中，通信网络的时间确定性是指通过网络传送的数据必须在预先确定的时间内从源传送到目的地。如果在一个现场总线控制系统中，PID调节模块经由总线从现场变送器采集测量数据，再将运算结果传至调节阀，而笔者设定的采样时间是确定的，且不受网络传送其它数据的影响，这样就能保证PID调节回路以预先规定的固定周期完成对该参数的控制。对于这种有实时控制要求的系统，通常要求网络从某一节点到另一节点的时间延迟要小于2~4ms。按照Siemens的观点，自动化领域多年的经验表明，实时通信的刷新时间和响应时间必须在5~10ms的范围内^[4]。所谓刷新时间可理解为从设备A的应用程序产生一个变量，通过通信线传递给对等设备B，再到设备B的应用程序可使用该变量为止所需的时间。
以太网采用CSMA/CD协议，其解决通信冲突的方法本质上不具有通信确定性的特性。因为在某一个节点抢先获取发送权后，其它需要发送的节点只好等待，不断地去侦测网络是否不忙，仅当侦测到不忙时才可能去抢占发送权。这个等待时间是随机的，不存在时间确定性。但以太网的高传输速率是其它网络难以比拟的，为解决其时间确定性提供了良好基础。
目前有几种可行的方法解决这个问题：
(1)  把网络负载安排在合理的轻载范围（例如30%以下），这样由于通信冲突而产生的时间延迟可保持在2 毫秒以下。如Foxboro的I/A DCS系统的节点总线只允许挂32个节点，比标准IEEE802.3规定的挂1 024个节点显著地少，就是这个原因。
(2)  采用星型拓扑结构的、具有交换功能的智能式集线器。挂在该网络上的每一个节点设备常驻于其自身的网段，而所有的网段均连接到交换式集线器上。该集线器提供缓冲存储器，并具有侦测哪个网段需要传输数据的功能。这样虽然通信存在延迟（不大于1毫秒），但通信冲突减至最低程度，从而可以达到通信确定性的要求。Hirschmann公司的Railswitch 系列就是这类网络产品。
(3)  使用全双工（Full-Duplex）通信模式。
(4)  采用虚拟局域网（VLAN）技术。
与传统的共享式以太网相比，交换式以太网虽然在形式上也是星型结构，但却有本质的不同（如图1）：共享式以太网的构造与功能仅为一种物理层中继器，因此在逻辑上仍可被认为是具有多个连接点的公共总线。换言之，连接到公共总线上的各节点服从CSMA/CD介质访问方式进行收发，所以难以避免冲突。而交换式集线器允许同时提供多个传输路径，这意味着挂在该网络上的设备不再共享带宽，显著地改善了传输能力。 

图1  由交换式集线器组成的系统，每个端口就是一个冲突域

当然，正常工作时1个端口不能同时向1个以上端口发送数据帧（广播或组播例外），1个通道也不能同时进行双向数据传输（全双工数据传输例外）。各端口之间的信息流是被隔离的，仅当两端口之间的通信通道建立，才可交互传输。由此可见，由交换式集线器组成的系统，每个端口就是一个冲突域，各冲突域间由交换器进行隔离，并实现各冲突域的连接和数据帧的传输。这样，交换器各端口之间可同时形成多个数据通道，数据帧的输入/输出已不再受CSMA/CDE介质访问控制协议的约束。
如果一个10Mbps的共享式以太网挂40个节点，那么每一个节点被分配到的平均带宽是0.25Mbps。若把这40个节点用以太网交换器平均分隔为8个网段，每个网段上5个节点与共享式集线器相连，此时这8个网段将分别占有10 Mbps的带宽，而每个节点平均带宽相应增加到2 Mbps，是共享式以太网的8倍。显然，交换式以太网的网络性能得到了很大提高。
工业以太网交换器兼容于商业以太网交换器，为满足工业实际要求还应考虑诸多方面：
 R 采用数据帧交换（直通交换、存储转发）；
 R 主要现场控制设备独占一个端（10/100Mbps），监控计算机和服务器独占一个高速端口或采用集合端口（100/1 000 Mbps）；
 R 主干线连接介质应为100/1 000Mbps光缆；
 R 交换器的总交换能力满足各端口处理能力需求的总和；
 R 双电源热备；
 R 若有冗余要求，应考虑设备冗余热切换。
3  工业控制实时通信网络必须处理的数据流的类型
在工控网络中所处理的数据流主要可分为两类：
  Ø实时数据
  Ø非实时数据(包括文件、程序）
其中，实时数据又可进一步分为以下五种：
 v 信号
 v 命令
 v 状态
 v 事件
 v 请求
工业控制的实时通信网络必须处理的数据流的类型有：
 v 信号：传感器和变送器的测量值属于信号类，其特征是有效寿命很短，不断地被改变和刷新。
对于若干重要信号，要求以足够快的速度采集最新值，这比不漏掉采集每一个值更显必要。
典型的信号数据流有以下不同的要求：
 ? 要保证其实时性质的信号，即这类信号的时间是最为关键的（time critical）；
 ? 信号具有等幂性质（idempotent），可接受重复刷新；
 ? 信号的当前值最为重要，最新信息比重发已丢失的采样值更重要。
“Time-critical”是“以时间为关键因素”的意思，用来描述一种具有时间窗口的应用。即在该时间窗口内，要求以确切定义的确实性水平，完成1个或多个规定的动作。如果在这个时间窗口内没有完成规定的动作，将会引发使用的风险，甚至会引发危及设备，危及工厂，乃至危及操作人员的生命的风险。这就是工业通信系统的实时性为什么要使用“以时间为关键因素”这个词的原由，也是工业通信系统在对实时性的要求方面区别于一般信息通信系统的显著特点。
 v 命令：许多实时系统必须处理一系列指令或命令。
命令数据流要求每一个命令按其先后顺序可靠传送一次，而且只能传送一次。命令的传送没有时间确定性的要求，但不能丢失任一个命令，同时一个命令只能执行一次，不能执行两次。
 v 状态：状态表示当前的状况或目标，一般来说对状态数据流的要求没有像对信号或命令数据流那么严格。状态通常会保持一段时间；它不是只能传送一次的关键参数，因此可以重发。
同时，它可能是有时间确定性要求的，也可能没有这个要求；它可能要求可靠传送，也可能没有这个要求。
 v 事件：事件使当前的任务与外部操作之间同步。譬如当传感器测得的参数到达其下限，此事件应立即启动某个任务的执行。事件数据可以伴随相应的其它数据，也可以仅仅是开关量的数据。事件数据流往往对时序的要求最为关键，还要求足够高的可靠性。
 v 请求：实时应用常常需要发出对数据的特定请求。请求包括两部分通信，即客户向服务器发送请求，以及服务器的返回响应。
弄清了通过通信传输的信息的性质，接着就要把注意力转向采用怎样的机制来满足分布式通信的要求。这里有三个关键问题要注意：
信息从哪里产生？
要把产生的信息发往何处？
在何时可以在哪里得到这些信息？
4  三种主要的通信结构
在现代通信技术中，有三种主要的通信中间件结构：
 w 点对点（peer-to-peer）
 w 客户/服务器（client/server）
 w 发布方/预订方（publisher/subscriber）
根据不同的通信要求，选择不同的通信结构。
4.1  点对点的通信结构
点对点通信是最简单的形式。举例说，利用有线电话进行通信就是采用点对点的方式进行通信。一旦建立连接，就有一个适当的高带宽与对方交谈。如果用户要求在同一时间与多个节点交谈，点对点方式就不能满足这种要求。因为有线电话通信本质上属于点对点通信。
在20世纪70年代，TCP被设计成为点对点的网络协议：
v 它支持高带宽，但若要求带很多个交互式节点，就显得很笨拙。
v 它支持高可靠性，万一数据包丢失可通过重发予以纠正。但重发的次数和频率却是全局的系统参数，应用程序难以控制。因此对于实时控制，TCP是不能满足要求的。
另外，TCP不是确定性的。每次建立连接都要求专门的资源，需要花费许多时间；判断是否分配那些资源也要花费不同的时间。再则，高性能的传输需要点对多点的通信。由于每次连接都要花费建立时间和分配时间来维持资源，对于所增扩的数据分发，TCP不能取得很好的平衡。
4.2  客户/服务器（C/S）通信结构
客户/服务器网络可以有几个服务器节点，同时还可以把这些服务器节点连接到很多个客户节点去。对于客户的程序服务器有几个中间件技术可用，如CORBA、HTTP、DCOM，以及OPC等。
若信息集中在一个节点，例如在数据库、集中文件服务器、商务交易处理系统等，采用客户/服务器通信结构可提供优质的通信性能。
如果信息不是集中产生的，而是在多个节点上产生的，使用客户/服务器的通信结构其通信效率就很低。这是因为它要求所有的信息先发送到服务器上，随后再分配到客户中去。这样做给通信系统带来难以估计的延迟，客户并不能知道需要多少时间它一定能收到信息。另外，客户/服务器的中间件技术是在TCP的上层运用的，因此会导致前面提到的那些问题。
显而易见，客户/服务器的通信结构并不是一种理想的分布式实时通信系统。
4.3  发布方/预订方的通信结构
发布方/预订方模型是复杂的分布式应用的首要方法。其中间件特别注重网络编程和消息传送的事务，极大简化了企业的应用开发和因特网应用。中间件软件商业化的目标是对准银行、期货和证券交易等大宗分布式系统的，它不能满足工业控制的实时通信网络对确定性、容错、鲁棒性和数据传送控制的要求。当然，工业控制的分散、实时应用环境，也可充分利用发布方/预订方模型。但需专门开发适用于工控网络的中间件软件。
发布方/预订方支持很多节点之间的直接而快速的数据传输。其通信网络能操作处理复杂的信息流模式，将信息从接收器中分离出来。一个发布方/预订方的中间设备层能操作网络连接、故障和信息交换，并排除特殊情况。
发布方/预订方的通信结构应该是一个或多个数据源（即发布方）向多个数据接收点（即预订方）发送数据的最佳的解决方案。
发布方/预订方的中间件结构代码，提供对节点的简单存取，只要告知需要什么信息（预订），随后系统便会按节点的需要把信息传送给它。使用发布方/预订方的通信结构，节点可预订它需要的数据，发布它产生的信息。在各通信节点之间形成点对点的直接通信。对于传送大量其时间是最为关键的因素的实时数据的通信，运用发布方/预订方的通信是最合适不过的。
发布方/预订方的通信结构具有以下技术特点:
 v 明晰的说明和明确的传送通信按三步进行：
a  发布方说明要发布信息；发布方知悉预订方的集合。
b  预订方说明需要此信息；预订方相互之间并不知悉，仅知道自己是从哪个或哪些发布方接收数据的。
c  发布方发送信息。
 v 命名发布 发布方/预订方的通信结构采用命名式分发数据。每一个发布信息都赋予一个标题和一个类型。标题是发布方用的名字，同时又是预订方建立的一个逻辑数据通道。类型描述数据格式。大多数发布方/预订方的通信结构支持随机的、由用户定义的类型，并可在不同的计算机体系结构之间进行类型的自动转换。
v  支持多点对多点的通信 发布方/预订方的通信结构允许从一个发布方同时向多个预订方发布同样的信息。不同的发布方也可以说明相同的标题，这样一来订了同一个标题的预订方就可以从多个发布方得到信息。发布方/预订方模型的灵活性使开发者很容易实现复杂的多点对多点的分布式通信方案。
v  事件驱动的传输 发布方/预订方的通信本身就是事件驱动的，只要发布方准备就绪就发送信息。在此信息到达之时，预订方就收到了通告。
•  中间件
发布方/预订方的服务一般都是通过中间件进行的，中间件通常处于操作系统网络接口的顶端，起着应用编程接口的作用。中间件处理三种基本的编程事务：
v  维护发布方向预订方映像的数据库，结果是在发布方与预订方之间形成每一次发布的逻辑数据通道。
v  发布方将数据送往网络时予以串行化，从网络送往预订方时再变换为并行形式的数据，从而使发布方与预定方的平台的差异得以协调。
v 传送所发布的数据。
v  多点对多点的连接。
发布方/预订方的通信结构为要求实时的应用提供明显的优点：
a  由于点对点连接的直接传输在带宽和延迟这两方面都很有效，所以这种通信结构对分布式数据提供了最佳的传送；
b  由于发布方/预订方的通信结构提供多点对多点的连接，所以它对复杂的分布式应用尤其理想；
c  由于发布方/预订方的通信结构并不要求组态，所以它可以动态地增减节点和数据流。
以上所述都是发布方/预订方的通信结构在一般的应用中表现出来的优点。但在实时应用中它还凸现出下面的功能：
传送时序控制 对时序进行控制是实时应用所必须的。譬如许多预订方需要在规定的时间帧内得到相关信息，而发布方需要规定信息要保持多长时间才是有效的。
可靠性控制 在实时应用中必须对可靠传送与时间确定性要求这二者之间具有折衷选择的能力。事实上不同的数据通道往往有不同的需求。不同的预订方可以有不同的可靠性要求。
请求-应答 在复杂的实时应用中通常会对数据或动作有所请求，一般的发布方/预订方的语义中对此不能很好适应。
发布方/预订方的通信在以下方面还存在一定的局限性，目前正在设法改进：
缺少灵活的传送带宽 每个预订方的带宽要求是不一样的，甚至对于同一个发布信息，各预订方所要求的带宽也有所不同。
缺少容错 实时应用通常要求热备的发布方和服务器。
缺少对线程中断的知情 实时通信通常必须在不影响发布方和预订方的线程进行。
加强有选择的退化 每个实时逻辑数据通道必须保护自己不受其它通道的影响。这就是说，某个发布方由于丢失信息、网络拥塞或CPU过载而产生故障或速率下降，不应影响预订方从其它的发布方接收信息。
加强鲁棒性 通信层不应将任意一个节点的故障引入应用层。
改善动态可伸缩性 实时分布式应用的生命周期通常超过任意一个发布方或预订方的生命周期，因此在任意时刻都可以增加或拆消发布方和预订方。
提高效率 实时系统要求高效率的数据采集和传送。对于关键的数据传送路径，其延迟应该降至最小。
5  工业以太网的兴起
工业以太网也在迅速发展中。针对现场自动控制系统的要求，结合一定的产品，现在已经发布的工业以太网的协议主要有以下几种：
Modbus TCP/IP（Schneider，1998）
Interbus（Phoenix，1999）
EtherNet/IP（ODVA，1999）
IDA（Vendor Alliance，2000）
HSE（Foundation Fieldbus，2000）
ProfiNet（Profibus，2001）
除了Interbus在物理层和数据链路层仍沿用它原有的现场总线协议，而在网络层和传输层采用TCP/IP，传输信息时采用拆包法外，其它均在物理层和数据链路层采用IEEE 802.3标准以太网协议。
一些组织按照工业控制的要求，发展适当的应用层协议，使以太网和TCP/IP技术真正能延伸至现场层。关注现场层和工厂应用以太网技术的组织主要有[5]：
 R IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance，工业自动化联网联盟)，目的是在工厂层推动以大网的应用。
 R IDA（Interface for Distribution Automation，分布式自动化接口组织)，这是一个主要以欧洲企业为主导的组织。
 R ODVA（Open DeviceNet Venders  Association, 开放DeviceNet供应商协会)，这是美国Rockwell Automation公司将其专有的总线定位为开放性总线的重要步骤。
6  工业以太网的发展现状
(1)  IDA是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，它将一种实时的基于Web的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案。作为一个单纯的工业以太网协议，IDA涵盖自动化结构中所有层次，包括设备层。它曾致力于开发一个供机器人、运动控制和包装用的目标/功能块库。这些应用与PLC的控制的显著差别在于它们要求微秒级的同步（PLC的控制只要求毫秒级的确定性）。IDA通过因特网协议在以太网总线上用RTI（Real Time Innovations）公司的中间件NDDS来实现微秒级的实时性。据了解，NDDS所采用的协议建立在发布方/预订方模型上，与FF没有太大的差别。
基于下面两个理由，2002年IDA宣布它已决定与Modbus用户组织紧密合作，将Modbus纳入IDA中，作为自动化应用中以太网通信的一个准（quasi）标准^[5]。
☆  Modbus TCP/IP是当前在设备层中现成的应用最广，且具有满足IDA最低相容级的以太网标准，它还是其它向上兼容的基于C/S（客户机/服务器）和P/S（发布方/预定方）模型的选项。
☆  由于IDA具有一个应用普遍、而协议均公开不用花太多钱的协议栈，因此，在许多性能要求不高的低端设备中IDA将会是一个很有竞争力的工业以太网标准。 

BootP-Bootstrap Protocol，（因特网）自引导协议
DHCP-Dynamic Host Configuration Protocal，[TCP/IP]动态主机配置协议
图2   IDA的协议堆栈

Modbus TCP/IP将与FTP或HTTP一样在其公共的操作系统中作为一个标准，Modbus将占端口502―前1 000个已定义的端口中的一个。由于Modbus TCP/IP是完全透明的，所以很好地符合IDA如图2所示的IDA协议建立在组件的基础上^[6]，该组件包括了IEC 61449的第一部分体系结构功能块标准，但用IDA的体系结构替代了IEC 61499的模型。除了支持以太网TCP、UDP和IP有关的Web服务的完整套件外，IDA协议规范还包括：
☆  基于RTI公司的中间件NDDS（网络数据传送服务）的RTPS（实时发布方/预订方）；
☆  Modbus TCP/IP作为工业因特网消息传输协议；
☆  IDA通信目标库；
☆  实时和安全API。
(2)  ODVA除了拥有DeviceNet 和ControlNet，还控制另一个总线Ethernet/Industrial Protocol（Ethernet/IP），它把处于应用层和用户层的DeviceNet 和ControlNet的目标库CIP（Control and Information Protocol，包含了所有经典的PLC运算），与以太网物理介质捆绑在一起。这就是说，Ethernet/IP、DeviceNet 和ControlNet三位一体共享一个目标库，该目标和设备行规（device profiles）使之可能形成凡是挂在这三个网络上、且来自不同供应厂商的复杂设备之间，实现即插即用的可互操作性^[7]。这些目标的定义是严格的，而且支持在同一网络中传输实时I/O信息、进行组态和诊断。这意味着用户可以不需要自行编制用户程序，便可将各种不同类型的设备连在一个网络中。作为一个与介质无关的协议，CIP还可进一步与FireWire或无线网络捆绑起来。
Ethernet/IP除了提供控制网络的各种基本服务外，还提供了许多优良的性能，包括2ms的刷新时间、与其它网络通信的路径指向能力、附加于程序上装/下载和传送消息的I/O控制，以及几种I/O交换选择，如查询、循环和改变状态等。 

图3  在Ethernet/IP中使用UDP/IP和TCP/IP
允许传送信息（显性）和控制I/O消息（隐性）

Ethernet/IP与其它工业以太网协议不同之处，在于它应用了标准的TCP/IP和UDP/IP以太网标准协议去压缩网络消息，这便允许实时I/O（隐性）消息传送和信息（显性）传送。这些同时组合了隐性和显性的消息传送，使Ethernet/IP具有以下性能：
☆  易于对控制器和设备进行编程和组态；
☆  I/O数据传送快速而准确；
☆  报警和设备同步的广播能力；
☆  可在任何地点对所有设备作故障查寻和精确整定。
由于Ethernet/IP应用以太网技术提供实时I/O、设备组态、故障诊断的能力，以及互操作性和可互换性，从而将Ethernet/IP定位于在自动化领域以太网应用的解决方案。
因为ODVA拥有Ethernet/IP，引起IDA与它合作的兴趣。2001年第1季度，在INONA的撮合下这3个组织达成寻求建立法人团体的谅解备忘录，协调今后的发展。IDA可能会采用CIP，再加上自己的机器人、运动控制和包装目标库/功能块库。 

图4  PROFInet V2.0的实时数据优化通信通道

(3)  在PROFInet的第一次公布的版本中，它提供了一种非确定性的控制层的结构，有点类似与Profibus网络。在PROFInet V1.0中大大地加强了商用以太网、TCP/IP与UDP/IP以及Microsoft的DCOM、OPC还有XML的作用。这样，有些背离了传统Profibus的结构，但实际上它很好地嵌入了Siemens近来所采取的基于组件自动化的策略。在2003年它将推出的新版本PROFInet V2.0中，将通过实时通道（旁路掉TCP/IP协议栈）加进实时的功能^[7]。如图4所示，它在数据链路层采用了旨在减小处理通信栈所需的时间的一种传输协议，从而极大地改善了网络的刷新时间。实时通道除了可进行循环传输外，还可完成非循环传输。同时还要加入网络管理、Web功能，以及直接集成I/O设备等。
采用TCP/IP和开放的DCOM wire协议，使现有的现场总线网段可用如Profibus一样的方式予以集成。这样一来，便可将传统的、基于任何标准设备或现场总线的自动化系统整合到PROFInet的体系结构中。
(4)  2001年9月，现场总线基金会FF、 ODVA和Profibus International（PI）这3大国际性工业通信组织共同签署了一个文件，合力支持OPC基金会的DX工作组正在制订的规范。由于它们实在是有不同的侧重点，无法也不会愿意寻求统一的协议。折衷的办法就是宣布支持 OPC DX，找到一种进行有效的数据交换的中间工具―软件网桥。在2002年春天的汉诺威博览会上，成功展出了这三种工业以太网之间通过OPC DX交换数据，为监控级工业以太网提供了可行的技术途径。 

图5  各种工业以太网及其相关现场总线协议的应用定位

看起来，INONA（工业自动化联网联盟）和OPC基金会一直在试图缓和和调节这场潜在的标准之争。但这场工业以太网协议之争，并未因此停息。这就是有些人说的工业以太网大战取代了现场总线大战。不同的是，当年现场总线之争的焦点集中在物理层和数据层；而当前工业以太网最大的差异，即竞争的焦点却集中在应用层和用户层^[5]。
(5)  图5由应用的角度给出各种工业以太网及其相关现场总线协议的应用定位。其中主要用于离散制造领域、且最有影响的，当推Modbus TCP/IP、EtherNet/IP、IDA和ProfiNet。在全球PLC市场居领先地位的Siemens不遗余力地推动ProfiNet /Profibus组合；Rockwell Automation和Omron以及其它一些公司致力于推进EtherNet/IP及其姐妹网络―基于CIP的DeviceNet和 ControlNet；Schneider则加强它与IDA的联盟。而在过程控制领域只有FF HSE一家。看来，它成为过程控制领域中唯一的以太网标准已成定局。
一般工业以太网都有与之互补的设备层现场总线，如表1所示：

表1  工业以太网与与之互补的设备层现场总线

其中最为简单实用的当属Modbus TCP/IP。它除了在物理层和数据链路层用以太网标准，与Modbus采用RS 232C/RS 422/RS 485不同外，在应用层二者基本是一致的，都使用一样的功能代码。它属于设备层中的工业以太网协议。目前在MODICON的PLC中用得很多。同时，由于大多数工业以太网的竞争者都有与之互补的设备层网络，IDA是后来的参与者，没有适合的设备层协议，不像ProfiNet有Profibus作为设备层，EtherNet/IP有DeviceNet作为设备层。所以它增加了一个与Modbus TCP/IP的接口，在其网络结构中采用Modbus TCP/IP作为设备层。
7  目前工业以太网发展中有待于解决的问题
(1)  制定工业加强型网络端口连接件和网络设备的工业标准。据了解以太网50%的故障出于连接件，因此必须提供优质的、适于在工业环境下正常工作的连接件也是亟待解决的问题之一。至于网络设备，现在已有一些专业公司能提供很好的系列产品，包括网关、物理层的协议转换器、冗余的或非冗余的交换式集线器，以及其它相关产品。
(2)  制定过程控制中的以太网网络设计的适当策略。以太网的优点之一是它易于安装和连接，但这也使它容易受到伤害。如果未经小心设计，往往会给控制网络带来不良影响，降低其可靠性。这方面是有前车之鉴的。美国一家大造纸厂曾经因以太网网络设计不当，造成一台PC机在作网络组态时，使一套DCS系统与一台造纸机的操作员界面之间通信发生不应有的中断。近年来，通过对网络进行网段细分，可以用一种简单的方式向用户提供他们所需要的带宽，并且平衡所有网络用户和网络设备的带宽需求。因此，确保通信的安全性、确定性不再是以太网实时通信的障碍。
(3)  工业以太网应用层、用户层难以统一。 

图6  应用层、用户层以及网络配置和管理软件是竞争的焦点

前面已经谈到上述这些工业以太网最大的差异是在应用层和用户层，几乎是无法统一的。可以说，除了物理层和数据链路层以外都是竞争的地盘。工业以太网协议竞争的新战场有：
上层的功能性（functionality） 如公用的设备行规，是确保设备的互操作性和可互换性的重要环节。这是与协议有关的竞争。
网络配置 每个协议都要指定若干配置参数，再加上制造厂又对自己生产的设备或系统附加了专用的功能性，甚至还通过自己专用的配置工具及相应的软件进行竞争。这是与供应厂商有关的竞争。
8  以太网与现场总线的融合和组合
有人估计融合了或组合了以太网和TCP/IP的现场总线是今后的主流体系。但是并不是所有的现场总线都会没有例外地与以太网组合的。例如ASi（只有4 bits的数据长度）、CAN总线（最大数据长度 8 bytes）以及SMS这些纳入国际标准的现场总线，都不适合与以太网结合。另外，我们也应该认识到，以太网在工业上的成功应用并不能取代现场总线。同时，我们还应该注意的是以太网与TCP/IP并不一定非捆绑在一起的。这完全是两种不同的通信协议，是独立发展起来的，而且它们的作用和功能是不同的。以太网解决的是物理层和数据链路层，TCP/IP则是用于传输层和网络层的协议。以太网好比是建立通信的传输线，TCP保证数据传输可靠，IP则将要传输的数据送往所要求的目的地。因此，现场总线技术与以太网技术的结合就有着不同的方式。
(1)  物理层和数据链路层仍延用原来现场总线的协议，再将 TCP/IP组合进去，目的是保持现场总线的原有优点，而又可以利用TCP/IP协议将现场总线数据直接挂互联网。如 WorldFIP on TCP/IP , Interbus on TCP/IP。这也是一种基于Web的PLC的基础。
(2)  物理层和数据链路层采用以太网技术，应用层和用户层采用原现场总线的协议。必要时也加入TCP/IP。如FF的HSE ，ODVA的EtherNet/IP。方法是将变化很少的现场总线报文作为“用户数据”嵌入TCP/IP的数据帧后在以太网上传输。可称之为“打包法”。其优点是不需花时间开发新的规范；有利于向下兼容；不同的现场总线的数据可在一个网络中同时传输。由于TCP/I报文头部占40bytes，以太网的报文头部占18bytes，若按以太网标准用其最小报文长度64bytes，那么，只剩下6bytes的有用数据长度。数据传输的效率很低。因此这更适合于传输长数据。
(3)  Interbus采用反向打包法，或称“拆包法”。将TCP/IP数据帧嵌入Interbus报文。由于Interbus报文短（8bytes），因此TCP/IP数据帧必须拆开传输，在接收端再将TCP/IP数据帧拼装。优点是原有的Interbus设备在现场应用不受影响，又可以通过TCP/IP上互联网。这种方法主要用于传送较长消息，如传送程序等。
(4)  网关或代理服务器法。典型代表为ProfiNet。通过网关或代理服务器进行以太网与现场总线的信息转换。优点是已在使用的现场总线设备可不受限制地继续用下去。缺点是同时使用几种现场总线时，系统的配置相当复杂，实时性难以保证。
(5)  重建法。典型代表为IDA。方法是不用现有现场总线，建立新的实时通信用户层。
9  建立新的数据交换的接口规范
OPC DX标准定义通过以太网网络进行互操作的数据交换以及服务器―服务器间通信的接口集合的工业标准，它是现有的OPC DA数据存取规范的扩充。
OPC DX标准将OPA DA扩展为具备在运行期间进行服务器和服务器之间数据交换的功能，而与由以太网TCP/IP网络支持的实时应用的协议无关。这意味着这个标准将为由不同自动化供应商开发的软件部件易于在大的自动化和经营管理系统集成，并实现即插即用提供良好途径。从图7中可以看出，OPC DX并不替代各个现场总线的作用，只是让集成在一个系统中的多种现场总线仪表可以相互交换数据。附带交代一下，在OPC中，服务器的概念是：它是OPC的一个对象，承担获取数据，并向客户机提供数据的作用。在图中可把它看成是一个现场仪表或设备。
OPC DX数据交换是相对于OPC DA的客户机―服务器通信模式推出的服务器―服务器通信模式，符合当代网络点对点的对等通信和扁平化的技术趋势，使驻留在不同体系的现场总线控制器上的实时服务器数据可以直接交换，从而实现统一的基于高速以太网的软件网关技术。所以，有人把OPC DX称为软件网关。 

图7  不同的现场总线通过OPC DX交换数据 

图8  OPC XML规范便于ERP和MES系统集成和数据共享

OPC在2001年还推出另一个具有重大意义的软件技术就是OPC XML扩展标识访问。XNL是W3C组织制定的Ｗeb访问的标准，也是构成Ｍicrosoft新一代Internet网络技术.NET

的基础。XML技术制定了对网页标识的定义的规则，使ERP和MES系统集成和数据共享十分方便，可以在网页发布时避免组件插入和注册。
OPC相应推出OPC工作XML规范，发布基于OPC DA的XML定制规划（Schemas），包括读（Read）、写（Write）、订阅（Subscription）和浏览（Browsere）四种数据共享和访问模式，使Web Server/Web Browser可以逐渐成为实时人机界面的主流。
10  关于工业以太网几个值得思考的问题
(1)  e网到底或一网到底是不是最好的方案？笔者感觉这并不是最好的方案。在目前的技术条件下以太网用于现场层既不合适（现场层要求实时性、安全性、可靠性和环境适应性，合理解决并不容易），也不经济（商用以太网硬件若改造为工业级产品，也就没有价格低廉的优势了；现场层传输的数据不多，如按以太网/TCP/IP标准的最短长度64字节计，报头占56字节，数据仅占8字节，数据率显得过低，除非设法将报头压缩为一两个字节，但这又需时间开销）。在一定的条件下它可以用于I/O层。现场总线和工业以太网的组合可能是最好的可行方案。
(2)  工业以太网在过程控制领域中目前唯一的方案就是FF H1+FF HSE。这也是现场总线和工业以太网的组合。
(3)  在离散制造业中，IDA、EtherNet/IP和PROFInet孰优孰劣？难下结论。竞争还在继续，就像DeviceNet和Profibus再加上Modbus至今各有各的市场、各有各的领地一样，IDA、EtherNet/IP和PROFInet恐怕将会三足鼎立，长期竞争。
(4)  竞争主要表现在应用层、用户层，以及相关的网络配置和管理软件等方面。IDA与其它工业以太网EtherNet/IP和PROFInet显著不同之处，在于它的微秒级的实时性。
(5)  OPC DX为不同的工业以太网提供了数据交换的可能性，为它们的长期共存提供了很好的基础。这符合最终用户的利益吗？
IDA、EtherNet/IP和PROFInet三足鼎立、长期竞争，应该说符合最终用户的利益。因为只有竞争才会发展，技术才会进步，价格才会降低。同时又为工业自动化系统采用多种现场总线和工业以太网系统在监控级提供了软件网关。
(6)  会不会出现单一标准的现场总线和单一标准的工业以太网？
绝无可能！自动化技术工作者应该摒弃追求像DC 4~20mA统一信号那样的工业数字通信的单一标准。这是两类完全不同本质和内容的技术，不可等同比较。因此必须积极面对和驾驭多种现场总线和工业以太网共存的局面。

参考文献：
[1]  Jim Montague IEEE approves 10Gbps Ethernet Standard Control Engineering July, 2002.
[2]  Paul Taylor Determinism: the full story The Industrial Ethernet Book Issue7, 2002. http://Ethernet.Industrial-networking.com.
[3]  Real Time Services (QoS) In Ethernet Based Industrial Automation Networks, Hirschmann Co. White Paper, 2001.
[4]  Ralph Buesgen, Joachim Feld Reaitime on Ethernet: how PROFInet V2.0 improves on V!.0 Control Engineering Oct.2002.
[5]  C.Polsonetti Industrial Ethernet protocols:the next battleground? The Industrial Ethernet Book Nov.2002, Issue 12, p.8-12.
[6]  IDA puts forward new standards protocol The Industrial Ethernet Book Issue 11, 2002. http://Ethernet.Industrial-networking.com.
[7]  William H. Mass. ETHERNET/IP: Open, Available and based on modern technology. The Industrial Ethernet Book Issue 11，2002 http://Ethernet.Industrial-networking.com.