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标题: 4种工业以太网协议分歧分析 [打印本页]

作者: 〢●●〢 时间: 2009-11-30 23:41
标题: 4种工业以太网协议分歧分析
（缪学勤，1942年生，享受国务院特殊津贴的教授级高级工程师，长期从事工业自动化调节控制仪表装置的科研工作，对DCS、FCS和网络技术研究尤深。
）
最近几年，信息技术正在全面进入工业自动化领域，工业自动化系统的各个层面都会受到IT技术的冲击。作为信息技术基础的Ethernet网络是20多年来发展最为成功的计算机网络技术。以太网的快速发展和广泛应用有力地推动了高技术芯片和系统开发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。近来，随着确定性通信技术和环境适应性等关键问题的突破，工业自动化系统控制级以上的通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向现场设备级延伸。工业以太网技术正在加快推广应用，使用哪一种工业以太网协议规范作为标准的问题提到了议事日程上。在工业控制领域，以太网技术的发展不可能脱离原来的DCS、PLC和FCS控制与管理系统基础。各大公司为了保护已有的投资利益和扩大应用范围，纷纷提出了工业以太网技术方案。目前，工业以太网的主要竞争者有：Modbus－IDA、Ethernet/IP、FF HSE和PROFINET工业以太网。

一、工业以太网的4个竞争者

1、Modbus－IDA工业以太网

IDA（Interface for Distributed Automation）组织是由法国Schneider等多家公司联合成立的。该组织提出了一套基于Ethernet TCP/IP和Web的用于分布式自动化的接口标准。Modbus协议原为美国Modicon公司PLC产品通信协议，由于其使用十分广泛，后来由Modbus组织于2002年发展为Modbus TCP/IP规范。为了提高竞争力，上述两大组织于2003年10月宣布合并。

Modbus TCP/IP基本上用简单方式将Modbus帧嵌入TCP帧，是一种面向连接的传送，它需要响应。在TCP帧中使用开放的Modbus提供了一种系统规模可伸缩的方案，由10个节点到100个网络节点。Modbus－IDA工业以太网系统是分级分布式系统结构，管理级采用以太网TCP/IP标准，完成用户各种管理功能；控制级包括PLC、IPC、分布式I/O、人机界面、电机速度控制器和网关等，采用Modbus TCP/IP协议，完成各种控制功能；现场级可采用基于Modbus协议或Ethernet协议的各类设备和I/O装置；嵌入式Web服务器使用标准的Internet浏览器就可以读取各类信息和修改配置等。

图1 Modbus-IDA 工业以太网系统结构（附件1）

2、Ethernet/IP工业以太网
Ethernet/IP工业以太网是由Control Net国际组织开发的，它是以太网的工业协议（Industrial Protocol）。该标准协议于1998年年初发表。

Ethernet/IP以太网工业协议是一种开放的工业网络，它使用有源星形拓扑结构，可以将10Mbps和100Mbps产品混合使用。该协议在TCP/UDP/IP之上附加了控制和信息协议（CIP），提供一个公共的应用层。CIP的控制部分用于实时I/O报文，其信息部分用于报文交换。Control Net和Ethernet/IP都使用该协议通信，分享相同的对象库、对象和设备行规，使得多个供应商的装置能在上述整个网络中实现即插即用。对象的定义是严格的，在同一种网络上支持实时报文、组态和诊断。为了提高工业以太网的实时性能，ODVA（开放的Devicenet供应商协会）于2003年8月公布了IEEE1588“用于Ethernet/IP实时控制应用的时钟同步”标准。

图2 Ethernet/IP 工业以太网系统结构（附件2）

3、FF HSE工业以太网
1998年，美国Fieldbus Foundation（FF）基金会决定采用高速以太网（High Speed Ethernet, HSE）作为控制级以上通信网络的H2主干网，FF HSE总线可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备。100Mbps以太网拓扑采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。HSE使用标准的IEEE802.3信号传输、标准的Ethernet接线和通信媒体。设备与交换机之间距离，使用双绞线为100m，光缆可达2 km。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统。LD执行网桥功能，它容许就地连在H1网络的各现场设备上，以完成点对点的对等通信。HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置。

图3 FF HSE 工业以太网系统结构（附件3）

FF HSE的1～4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义。HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。FF规范21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用。FF还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用。FFB支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC以及与其它协议通信的网间连接器。

4、PROFINET 工业以太网
PNO组织于2001年8月发表了PROFInet规范。PROFInet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又保留了Profibus现有的开放性。
PROFINET支持面向连接的通信，这种通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。基于对象应用的DCOM通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的形式表示的PROFInet组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制（ACCO）确保已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件控制的，ACCO也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。
PROFInet提供工程设计工具和制造商专用的编程和组态软件，使用这种工具可以从控制器编程软件开发的设备来创建基于COM的自动化对象。这种工具也将用于组态基于PROFI net的自动化系统，使用这种独立于制造商的对象和连接编辑器可减少15%的开发时间。

图4 PROFInet 工业以太网系统结构（附件4）

二、我国的工业以太网技术正在崛起——EPA工业以太网

EPA（Ethernet for Plant Automation）用于工业自动化的、开放的工业以太网标准。在国家“863”课题的支持下，浙江大学、浙大中控和中科院沈阳自动化所等多家单位联合攻关，在解决多项关键技术的基础上起草了我国第一个拥有自主知识产权的工业以太网国家标准。该标准准备正式提交国际电工委员会IEC/SC65C，它将以IEC国际规范PAS（Publicly Available Specification）予以公布，并作为目前正在制定的实时以太网应用行规IEC61784－2标准的第14类型CPF14予以正式引用。

图5 EPA 工业以太网系统结构

基于EPA标准的分布式网络控制系统分为两个层次，即控制层网络和现场设备层网络。EPA控制层网络是系统的主干网，用于连接控制室的操作站、工程师站以及现场的各个控制区域，由通用以太网构成，通常可形成（冗余）环网以提高系统可靠性。现场设备网分置于控制现场，控制现场可划分为若干区域，每个区内相关现场设备（变送器、执行机构和现场控制器等）均通过适用于工业控制现场的EPA网络连在一起，按照组态相互协调工作，从而完成一定的控制功能。

三、工业以太网发展趋势

2004年初，Profibus Trade Organization（PTO）和Interbus Club成立联合工作组决定将Interbus现场总线向PROFINET工业以太网系统过渡。西门子公司打算于2004年8月底向市场全面推出PROFINET系列产品。作为第一步，西门子推出PROFINET IO产品，将工业以太网延伸至现场的I/O级。由于工业以太网节点具有很高的性价比，很多IT软件技术能得到广泛应用，诊断功能强，因而可以预见，PROFINET的应用节点数今后会急剧增加。PROFINET IO将会逐步取代Profibus和Interbus现场总线，在市场上被广大用户接受，这将是工业以太网技术发展的重要趋势。我国的工业以太网技术正在稳步发展，由于EPA工业以太网技术是从我国国情出发研发的，并成为国家标准，相信今后在市场上将会迅速占有份额。
随着现场总线转向以太网，国际上许多标准组织正在积极地工作以建立一个工业以太网的应用协议。工业自动化开放网络联盟（Industrial Automation Open Network Alliance，IAONA）协同ODVA和IDA共同开展工作，并对推进基于Ethernet TCP/IP工业以太网通信技术达成共识，由IAONA负责定义工业以太网公共的功能和互操作性。我们相信，经过各方面的共同努力，不久的将来就会出现一个具有互操作性的工业以太网。

作者: 痴情浪子 时间: 2009-12-28 01:05
你这样的表现，就只配这几个字：太有才了!

作者: 彬彬有礼 时间: 2010-3-21 12:05
扯淡啊，感觉你在开玩笑啊

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