1.5 工业以太网与实时以太网

1.5.1 工业以太网及其特点

用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。IEC标准委员会SC65C-2004对工业以太网作出的定义是：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而实现的以太网。工业以太网是应用工业控制环境的控制网络，通过采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式全双工通信模式、流量控制及虚拟局域网等技术提高网络的实时响应速度，技术上与商用以太网兼容。

换句话讲，工业以太网是指其在技术上与商用以太网（IEEE 802.3标准）兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要，即在环境适应性、可靠性、安全性和安装使用方面满足工业现场的需要。

工业以太网在技术上与IEEE 802.3兼容，与商业以太网应用环境不同的是，工业以太网应用在工业环境当中，要考虑高温、潮湿、振动，还有对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，如满足EN 50081-2、EN 50082-2标准；而商业以太网应用在办公室环境中，无需满足这些工业标准。表1-3列出了一些常用工业标准。为改善网络运行具有较好的抗干扰性和抵御外界电磁辐射以及自身向外的电磁辐射，工业以太网产品多使用多层电路板或双面电路板，设备外壳多采用金属（如铸铝）形式来屏蔽干扰；由于交换机、收发器应用在工业环境中现场电源品质较差，故常采用双路直流电或交流电为其供电；为考虑方便安装，工业以太网产品及设备多采用DIN导轨或面板安装。工业以太网和商业以太网在通信介质选择方面一般有较大的不同：办公室环境下以太网布线线缆多使用UTP（非屏蔽双绞线），而在工业环境下推荐用户使用STP（屏蔽双绞线）和光纤。

20世纪90年代末，工业以太网成功应用于DCS，工业以太网技术开始向现场设备层延伸，直接应用于工业现场设备间的通信，工业以太网技术迅速在发展，表现在：基于工业以太网的控制系统体系结构、确定性通信技术、总线供电技术、网络安全技术、基于XML（可扩展标记语言）的设备描述技术等方面都获得了巨大进步。

表1-3 一些常用工业标准

工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富，价格适中；非常便于同Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；技术不断创新，应用领域不断扩大，可持续发展的空间大等。

1.5.2 工业以太网作为控制网络的技术优势

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制实时性的要求，即信号传输要足够快的同时满足信号的确定性。以太网具有以下优点：

1）具有相当高的数据传输速率，从10Mbit／s、100Mbit／s增大到如今的1000Mbit／s、10Gbit／s，能提供足够的带宽，并且使用相同的通信协议。

2）以太网使用TCP／IP协议簇很容易实现各种规模网络的系统集成，尤其是在控制领域内，能将控制域网络和管理域网络实现很好的无缝集成。

3）全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，不会发生碰撞。

4）采用星形网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段，使以太网的通信确定性和实时性大大提高。

5）稳定性与可靠性。在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽或非屏蔽双绞线，对于重要的网段，还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。

与专门为工业控制而开发的现场总线相比，工业以太网技术的优点表现如下：

1.直接继承了以太网技术中的许多特点和优势

工业以太网技术直接继承了以太网技术中的许多特点和优势，将这些特点和优势直接移植到工控领域中来，并作了适当改进形成工业以太网技术。以太网技术应用广泛，为大量的编程语言所支持，支持以太网技术及应用系统的软硬件资源非常丰富，能够非常便利地与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；紧紧地依靠计算机网络发展的主流技术并与之同步发展，未来的发展应用前景光明、清晰。

2.通信的确定性

工业控制网络必须满足对实时性的要求，即带宽高、确定性好。以太网早已进入100Mbit／s、1000Mbit／s和万兆应用的传输速率水平，这就大幅减小了过去采用CSMA／CD以及二进制指数退避算法通信的非确定性。在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，网络碰撞几率大大下降，提高了网络的确定性。

在一个用双绞线（光缆）连接的全双工交换式以太网中，交换机内部的电路交换结构中的一对线用来发送数据，另一对线用来接收数据，消除了数据传递碰撞的可能性。

3.工业以太网的可靠性和安全性

传统的以太网是为办公及商业领域应用而设计的，并没有考虑苛刻的工业现场环境的需要（如冗余电源供电、高温、低温、防尘、有害有毒气体的存在等），因此不能将商用以太网技术及产品直接应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。

工业以太网解决了控制网络在工业应用领域和极端条件下稳定工作的问题，国外一些公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，并安装在标准DIN导轨上，同时配有冗余供电，接插件采用牢固的DB-9结构，而在IEEE 802.3af标准（关于以太网供电技术的以太网标准的扩展标准）中，对以太网供电规范也进行了定义。

在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒的气体，应用于这些场合的设备都必须采用一定的防爆措施来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型和本质安全型。与隔爆技术相比较，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，其关键技术为低功耗技术和本质安全防爆技术。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，工作电流多在6O～70mA（5V工作电源），低功耗的以太网本质安全现场设备设计较难，所以在目前的技术条件下，对以太网系统可采用隔爆型防爆的措施，确保现场设备本身的故障产生的点火能量不泄漏。

在有较强电磁干扰和噪声振动的场所，通过器件、设备的组织，工业以太网也有很好的抗此类干扰的能力。

4.控制域与管理域实现无缝集成

使用工业以太网能够便于实现控制域与管理域的无缝集成。两个异构网络通过网关互联实际上将控制域与管理域进行了分割，在两个隔离域中的软硬件系统彼此一般无法直接进行数据交换。

5.能够非常便利地实现对Internet的接入

使用工业以太网作为控制系统的通信网络架构时，控制系统可以很方便地接入Internet，这样一来，控制系统具有了优良的远程监控性能。

当然，工业以太网非常便于实现了与Internet的无缝集成，实现了工厂信息的垂直集成，但同时也带来了一系列的网络安全问题，包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁问题，可采用网关或防火墙等方法，将内部控制网络与外部信息网络系统彼此隔离；还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制来加强网络运行的安全。

1.5.3 实时以太网

将现场总线的实时性与以太网通信技术相结合并适合于工业自动化并有实时能力的以太网叫做实时以太网。工业控制的基本要求就是控制的实时性和可靠性，实时以太网就能满足这种要求。根据IEC／SC65C／WG11定义，所谓实时以太网，是指不改变ISO／IEC 8802-3、CSMA／CD的通信特征、相关网络组件或IEC 61588的总体行为，但可以在一定程度上进行修改，满足实时行为，包括确保系统的实时性，即通信确定性、现场设备之间的时间同步行为、频繁传输且较短长度的数据交换。

对于工业控制过程来讲，实时性要求划分为以下3种情况：

1）应用于信息集成和要求较低的过程自动化控制场合，实时响应时间为100ms或更长。

2）多数工厂自动化应用场合中，实时响应时间要求最少为5～10ms。

3）对于高性能的同步运动控制应用，尤其是在监控节点较多的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求短于1ms。

实时以太网是工业以太网的一种，可以认为实时响应时间短于5ms的工业以太网就是实时以太网。实时以太网更便于和标准以太网实现无缝连接。

实时以太网除了实现现场设备之间的实时通信外，还支持传统的以太网通信，例如办公网络。这样就能够便于将办公网络和现场控制网络无缝互连，甚至可以使办公网络和现场控制网络一体化。

1.5.4 灵活组织控制网络的架构

如果控制系统对控制的实时性要求并不是很高，就可以使用普通以太网，加上在控制网络设计之初就注意有效配置网络负荷，使得基于普通以太网通信技术的控制网络，也可以满足一些对实时性要求不那么高的监控系统的需求，如楼宇自动化控制等。

基于普通以太网技术的控制网络在控制领域中可以充分发挥出普通以太网所具有的技术成熟、软硬件丰富、性价比高等优势。基于普通以太网的控制网络，所采用的技术相对成熟，已经有了一些应用实例，但其应用范围要受到实时性要求的限制。

1.5.5 关于实时以太网的IEC 61784-2标准

早在2003年5月，IEC／SC65C成立了WGll工作组，为适应实时以太网市场应用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。2005年3月IEC实时以太网系列标准作为PAS（Publicly Availa_- ble Specification，国际通用规范）文件通过了投票，并于2005年5月在加拿大将IEC发布的实时以太网系列PAS文件正式列为实时以太网国际标准IEC 61784-2。IEC 61784-2定义了系列实时以太网的性能指标以及一致性测试参考指标。

IEC 61784-2中的实时以太网通信标准见表1-4。

表1-4 IEC发布的实时以太网系列PAS文件

在IEC发布的实时以太网系列PAS文件中，我国的EPA（Ethernet for Plant Automation，工厂自动化以太网）实时以太网提案于2004年1月22日的IEC／SC65C／JWG10，WG11、WG12、WG134个工作组联合大会和工作组会议上，一致通过在2004年11月以前，将包括我国自主开发的工业控制网络协议EPA在内的6种目前非国际标准以太网技术作为IEC的PAS文件出版，2007年10月5日正式成为实时以太网国际标准应用行规IEC 61784-2。