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▊《现场总线与工业以太网及其应用技术 第2版 》
李正军 李潇然 编著
工业以太网最新技术
近30年来的现场总线与工业以太网科研攻关成果
全面系统地介绍了现场总线、工业以太网技术及其应用系统设计
20世纪70年代早期，国际上公认的第一个以太网系统出现于Xerox公司的Palo Alto Research Center（PARC），它以无源电缆作为总线来传送数据，在1000m的电缆上连接了100多台计算机，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太（Ether）来命名，这就是如今以太网的鼻祖。以太网发展的历史如下表：
IEEE 802代表OSI开放式系统互联七层参考模型中一个IEEE 802.n标准系列，IEEE 802介绍了此系列标准协议情况。主要描述了此LAN/MAN（局域网/城域网）系列标准协议概况与结构安排。IEEE 802.n标准系列已被接纳为国际标准化组织（ISO）的标准，其编号命名为ISO 8802。以太网的主要标准如下表所示：
人们习惯将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。如果仔细划分，按照国际电工委员会SC65C的定义，工业以太网是用于工业自动化环境、符合IEEE 802.3标准、按照IEEE 802.1D“媒体访问控制（MAC）网桥”规范和IEEE 802.1Q“局域网虚拟网桥”规范、对其没有进行任何实时扩展（extension）而实现的以太网。通过采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式以太网和全双工通信、采用信息优先级和流量控制以及虚拟局域网等技术，到目前为止可以将工业以太网的实时响应时间做到5~10ms，相当于现有的现场总线。采用工业以太网，由于具有相同的通信协议，能实现办公自动化网络和工业控制网络的无缝连接。
以太网与工业以太网比较如下表所示：
工业以太网即应用于工业控制领域的以太网技术，它在技术上与商用以太网兼容，但又必须满足工业控制网络通信的需求。在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、可靠性、抗干扰能力、实时性等方面满足工业现场环境的应用。一般而言，工业控制网络应满足以下要求。
具有较好的响应实时性：工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性好。
可靠性和容错性要求：既能安装在工业控制现场，且能够长时间连续稳定运行，在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路。
力求简洁：减小软硬件开销，从而降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。
环境适应性要求：包括机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、气候环境适应性（工作温度要求为-40℃~85℃，至少为-20℃~70℃，并要耐腐蚀、防尘、防水）、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2/EN50082-2标准。
开放性好：由于以太网技术被大多数的设备制造商所支持，并且具有标准的接口，系统集成和扩展更加容易。
安全性要求：在易爆可燃的场合，工业以太网产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安全。
总线供电要求：即要求现场设备网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备提供工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低成本。IEEE 802.3af标准对总线供电进行了规范。
安装方便：适应工业环境的安装要求，如采用DIN导轨安装。
工业以太网协议在本质上仍基于以太网技术，在物理层和数据链路层均采用了IEEE 802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网“事实上的标准”的TCP/IP协议簇（包括UDP、TCP、IP、ICMP、IGMP等协议），它们构成了工业以太网的低四层。在高层协议上，工业以太网协议通常都省略了会话层、表示层，而定义了应用层，有的工业以太网协议还定义了用户层（如HSE）。工业以太网的通信模型如下图所示：
工业以太网与商用以太网相比，具有以下特征：
通信实时性
在工业以太网中，提高通信实时性的措施主要包括采用交换式集线器、使用全双工（full-duplex）通信模式、采用虚拟局域网（VLAN）技术、提高质量服务（QoS）、有效的应用任务的调度等。
环境适应性和安全性
首先，针对工业现场的振动、粉尘、高温和低温、高湿度等恶劣环境，对设备的可靠性提出了更高的要求。工业以太网产品针对机械环境、气候环境、电磁环境等需求，对线缆、接口、屏蔽等方面做出专门的设计，符合工业环境的要求。
在易燃易爆的场合，工业以太网产品通过包括隔爆和本质安全两种方式来提高设备的生产安全性。
在信息安全方面，利用网关构建系统的有效屏障，对经过它的数据包进行过滤。同事随着加密解密技术与工业以太网的进一步融合，工业以太网的信息安全性也得到了进一步的保障。
产品可靠性设计
工业控制的高可靠性通常包含三个方面内容：
可使用性好，网络自身不易发生故障；
错能力强，网络系统局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作；
可维护性高，故障发生后能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复。
网络可用性
在工业以太网系统中，通常采用冗余技术以提高网络的可用性，主要有端口冗余、链路冗余、设备冗余和环网冗余。
以太网发展到工业以太网，从技术方面来看，与现场总线相比，工业以太网具有以下优势：
应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，如Java、Visual C++、Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境供选择。
成本低廉。由于以太网的应用广泛，受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。
通信速率高。目前以太网的通信速率为10Mbit/s、100 Mbit/s、1000 Mbit/s、10G bit/s，其速率比目前的现场总线快得多，以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。
开放性和兼容性好，易于信息集成。工业以太网因为采用由IEEE 802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC和DCS厂家广泛接受。
控制算法简单。以太网没有优先权控制意味着访问控制算法可以很简单。它不需要管理网络上当前的优先权访问级。还有一个好处是：没有优先权的网络访问是公平的，任何站点访问网络的可能性都与其他站相同，没有哪个站可以阻碍其他站的工作。
软硬件资源丰富。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
不需要中央控制站。令牌环网采用了“动态监控”的思想，需要有一个站负责管理网络的各种家务。传统令牌环网如果没有动态监测是无法运行的。以太网不需要中央控制站，它不需要动态监测。
可持续发展潜力大。由于以太网的广泛使用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
易于与Internet连接。能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。
工业以太网一般应用于通信实时性要求不高的场合。对于响应时间小于5ms的应用，工业以太网已不能胜任。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案建立在IEEE 802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网（realtime Ethernet，RTE）。
根据IEC 61784-2-2010标准定义，所谓实时以太网，就是根据工业数据通信的要求和特点，在ISO/IEC 8802-3协议基础上，通过增加一些必要的措施，使之具有实时通信能力：
网络通信在时间上的确定性，即在时间上，任务的行为可以预测；
实时响应适应外部环境的变化，包括任务的变化、网络节点的增/减、网络失效诊断等；
减少通信处理延迟，使现场设备间的信息交互在极小的通信延迟时间内完成。
2007年出版的IEC 61158现场总线国际标准和IEC 61784-2实时以太网应用国际标准收录了以下十种实时以太网技术和协议如下表所示：
实时工业以太网采用不同的实时策略来提高实时性能，根据其提高实时性策略的不同，实现模型可分为3种。实时工业以太网实现模型如下图所示：
图中情况（1）是基于TCP/IP实现，在应用层上作修改。此类模型通常采用调度法、数据帧优先级机制或使用交换式以太网来滤除商用以太网中的不确定因素。这一类工业以太网的代表有 Modbus/TCP和 Ethernet/IP。此类模型适用于实时性要求不高的应用中。
图中情况（2）基于标准以太网实现，在网络层和传输层上进行修改。此类模型将采用不同机制进行数据交换，对于过程数据采用专门的协议进行传输，TCP/IP用于访问商用网络时的数据交换。常用的方法有时间片机制。采用此模型典型协议包含 Ethemet POWERLINK、EPA和 PROFINET RT。
图中情况（3）是基于修改的以太网，基于标准的以太网物理层，对数据链路层进行了修改。此类模型一般采用专门硬件来处理数据，实现高实时性。通过不同的帧类型来提高确定性。基于此结构实现的以太网协议有 EtherCAT，SERCOSIII和 PROFINET IRT。
对于实时以太网的选取应根据应用场合的实时性要求。
工业以太网的三种实现如下表所示：
几种实时工业以太网的对比如下表所示：
几个实时工业以太网数据传输速率对比如下图所示。实验中有40个轴（每个轴20Byte输入和输出数据），50个I/O站（总计560个EtherCAT总线端子模块），2000个数字量，200个模拟量，总线长度500m。结果测试得到EtherCAT网络循环时间是276μs，总线负载44%，报文长度122μs，性能远远高于SERCOSIII、PROFINET IRT和POWERLINK。
根据对比分析可以得出，EtherCAT实施工业以太网各方面性能都很突出。EtherCAT极小的循环时间、高速、高同步性、易用性和低成本使其在机器人控制、机床应用、CNC功能、包装机械、测量应用、超高速金属切割、汽车工业自动化、机器内部通信、焊接机器、嵌入式系统、变频器、编码器等领域获得广泛的应用。
同时因拓扑的灵活，无需交换机或集线器、网络结构没有限制、自动连接检测等特点，使其在大桥减震系统、印刷机械、液压/电动冲压机、木材交工设备等领域具有很高的应用价值。
国外很多企业对EtherCAT的技术研究已经比较深入，而且已经开发出了比较成熟的产品。如德国BECKHOFF、美国Kollmorgen（科尔摩根）、意大利Phase、美国NI、SEW、TrioMotion、MKS、Omron、CopleyControls等自动化设备公司都推出了一系列支持EtherCAT的驱动设备。国内对EtherCAT技术的研究尚处于起步阶段，而且国内的EtherCAT市场基本都被国外的企业所占领。
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