發布日期：2022-04-27 點擊率：105
工業以太網作為辦公室自動化領域衍生的工業網絡協議而開始的。然后許多人對它進行各種增添使它運行起來象現場總線，尤其當人們開始尋找確定性并需要使用實時操作時。其最新的版本真的在形式、功能和硬件方面與其辦公室網絡前輩一致嗎？對此，我們專訪了研究員Poula Doyle。
現場總線之間爆發的戰爭產生了多種不能互操作的協議，在諸多現場總線之間進行選擇和實現特殊的協議不是一件容易和廉價的事情。能夠貫穿工廠各個網絡層的單一網絡技術的想法導致工業以太網的出現。理想的解決方案是容易與現有的辦公室架構和當前現場總線標準集成，為用戶和開發人員提供用于所有設備的同源接口。這種狀況看起來和生產商提供的專有解決方案（即為不同層提供服務，并提供不同層的可互操作性）一樣。
IEC TC65委員會的當前工作就是考慮至少10種實時工業以太網。每個協議都是基于IEEE 802.3并與TCP/IP兼容。由于每個協議提供不同層的服務，系統要求應該更為方便地作出決定。當選擇一種工業以太網解決方案時，關鍵是要仔細考慮你的系統要求，如：
-它需要基于辦公室通信的互操作嗎？
-想在（COTS，checked test set）產品基礎上建立解決方案嗎？
-如果有的話，哪層需要實時通信？
工業以太網和互操作性
這里所列舉的5種解決方案都包含在IEC 工業以太網標準化的進程中，但是這種標準化的工業以太網將為用戶提供什么呢？無須懷疑，工業以太網所帶來的好處遠超出了現有總線協議所帶來的。以太網大的帶寬、標準化的物理層和數據鏈路層以及在工廠（信息層）中的流行程度，這些特性都使以太網在現場總線層非常具有吸引力。
探索現場總線戰爭所引發的不兼容性問題，工業以太網的成功從OSI模型的第1和第2層開始，將取得現場總線標準化進程所不能達到的程度：互操作性。互操作性允許設備共享信息的通用視點，而不管其下層的協議，這樣允許支持不同協議的設備可以有效地進行通信。互操作性允許用戶基于質量選擇設備，而不是根據設備支持什么協議而進行選擇，并允許生產商容易地支持多協議，這就吸引更加廣大的市場。
所有以下這5種具有代表性的解決方案都是在IEEE 802.3以太網（或以太網II）基礎上運行的，因此它們都能在同一種電纜上物理地通信。每個協議支持多種等級的TCP/IP通信，這樣（理論上）它們都能共存一直到OSI模型的第4層。所有的協議使用光纖或Cat5以太網電纜都能進行連網，這就允許任何協議的設備都能插入到以太網網絡中。不幸地，這并不沒有更多地意味著作為標準化解決方案的基礎，即互操作性。
設備的互操作性依賴于其應用層的定義。設備固有地并不理解應用數據。但是，它們必須優先了解數據含義，這就是互操作性問題的癥結所在，互操作性允許用戶基于質量而不是根據設備支持哪種協議而選擇設備。在一臺設備上支持多種協議并不是通用的做法，因為這很昂貴也很難實現。
通用的應用層行規本應允許所有工業以太網設備能互操作（雖然它不能自動地保證兩種不同的硬實時協議將維持其時間性）。但是，IEC 61784近期的標準化工作正致力于做通信行規的標準化系列，這提供的互操作性將是工業以太網標準化進程中最重要的組成部分。
正如每個協議所代表的不同，它們為不同層提供服務，因此一些協議在一些特殊的應用領域中已經成為了最佳的解決方案。相信每種協議都應該賦予其特殊的用途，以區別其它的協議，但是目標仍然是持續開發支持所有協議的工業以太網設備行規-這樣就允許多種協議能夠在網絡上容易地實現互操作。這將允許用戶選擇一種完全適合其特殊應用的協議，并保證它將與傳統的以太網系統互操作。
雖然我們應該抱有希望，但是很難預測是否通用的應用層技術（跨越所有當前工業以太網協議的規定）將被標準化。現有的工業以太網解決方案使用與原有現場總線兼容的（如果不是等同的話）設備行規；要實現一種通用的設備行規它能支持所有需要的傳統協議是很困難的。它能實現嗎？有可能，但是這需要用戶和制造商的呼吁，而且即使實現了，也不能保證工業以太網標準化進程在協議的互操作性方面不重復現場總線進程。當前的現實情況使得仔細考慮所提供的解決方案以對應于系統的特定要求成為必要。對于互操作性和支持常規TCP/IP通信的程度的要求未必出自誠意，因而對于實時標準總是必須仔細審查。
一直以來，當新出現的產品迫不及待地強占市場份額時…買主必須自己當心產品的品質。
EtherNet/IP
EtherNet/IP使用與DeviceNet和ControlNet相同的用戶層和應用層，即控制和信息協議（CIP），這使這三種網絡能完全地互操作。Ethernet/IP完全使用COTS組件。
當使用CIPSync時，Ethernet/IP能進行實時通信，它是基于IEEE 1588的高速CIP同步化解決方案。Ethernet/IP是非確定性的，選擇UDP/IP堆棧和實時操作系統兩者，對實時性能有很大的影響。
EtherCAT
EtherCAT(用于控制自動化技術的以太網)規定的全雙工快速以太網通信是基于主/從原則的，其中主站發起所有的傳輸。為了傳遞實時性能，EtherCAT在一個標準的以太網報文中封裝了大量以太網命令。EtherCAT可以通過切換器與正常的基于TCP/IP的網絡進行互操作。當EtherCAT位于一個切換器端口，其它任何基于以太網的通信（例如常規的TCP/IP）位于不同端口，這樣不干預EtherCAT的運行，此時EtherCAT和任何基于以太網的協議都能并存。
Profinet
Profinet協議規定在快速以太網上的全雙工通信，并支持星型、線型和環型拓撲。Profinet-IRT通過使用集成了控制通信的2-或4-口智能切換器，支持以太網中基于TCP/IP通信的確定性通信。通信是循環的，每個周期分為標準的TCP/IP開放通道和確定性的RT通道。使用時間片技術使設備高度同步化并實現確定性通信。
Ethernet Powerlink
Ethernet Powerlink（EPL）設備使用沒有特殊芯片的COTS以太網硬件。但是，為了實現最小的循環時間和抖動，建議在EPL節點安裝附加的處理器，單獨執行EPL網絡堆棧。EPL支持任何拓撲，網絡由標準的類型2集線器所建立。
由于EPL是在共享IEEE 802.3介質上運行的硬RT協議，它使用主站設備控制介質訪問因此避免了沖突。和EtherCAT一樣，EPL使用EthernetII幀類型字段用于通信，封裝EPL通信幀。
EPL上的通信在每個周期中的實時通道和非同步通道是循環的。在實時通道中，從站被主站輪詢，在請求時傳輸。非同步周期允許傳輸IP幀，但僅當主站命令時才這么做。這種通信方式不支持在同一個段上的常規通信。但是，EPL可以通過EPL網關設備與常規的段接口。
Sercos III
SercosIII不要求使用任何附加的集線器或切換器，它支持環型或線型拓撲。每個網絡包括一個主站和多個從站。通信是循環的，主站控制節點的同步化。
在IP通道中通信的非Sercos以太網節點通過網關與SercosIII網絡接口。
目前，有計劃將SercosIII核集成到一般用途的模塊中，這樣給多種以太網協議提供硬件支持，因而在運行特殊協議時只要求軟件驅動器。
參考：
（1）M.Felser,工業以太網標準化-下一個戰場，第5屆工廠通信系統國際研討會，奧地利2004.pp413-421。
Paula Doyle是Limerick大學的博士后研究人員。
晏波譯自“The Industrial Ethernet Book”第27期
楊昌琨校對
原載《國內外機電一體化技術》
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