工業(yè)以太網(wǎng)作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而開始的。然后許多人對(duì)它進(jìn)行各種增添使它運(yùn)行起來(lái)象現(xiàn)場(chǎng)總線，尤其當(dāng)人們開始尋找確定性并需要使用實(shí)時(shí)操作時(shí)。其最新的版本真的在形式、功能和硬件方面與其辦公室網(wǎng)絡(luò)前輩一致嗎？對(duì)此，我們專訪了研究員Poula Doyle。
現(xiàn)場(chǎng)總線之間爆發(fā)的戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生了多種不能互操作的協(xié)議，在諸多現(xiàn)場(chǎng)總線之間進(jìn)行選擇和實(shí)現(xiàn)特殊的協(xié)議不是一件容易和廉價(jià)的事情。能夠貫穿工廠各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的單一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的想法導(dǎo)致工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)。理想的解決方案是容易與現(xiàn)有的辦公室架構(gòu)和當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)集成，為用戶和開發(fā)人員提供用于所有設(shè)備的同源接口。這種狀況看起來(lái)和生產(chǎn)商提供的專有解決方案（即為不同層提供服務(wù)，并提供不同層的可互操作性）一樣。
IEC TC65委員會(huì)的當(dāng)前工作就是考慮至少10種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。每個(gè)協(xié)議都是基于IEEE 802.3并與TCP/IP兼容。由于每個(gè)協(xié)議提供不同層的服務(wù)，系統(tǒng)要求應(yīng)該更為方便地作出決定。當(dāng)選擇一種工業(yè)以太網(wǎng)解決方案時(shí)，關(guān)鍵是要仔細(xì)考慮你的系統(tǒng)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(chǎn)品基礎(chǔ)上建立解決方案嗎？
-如果有的話，哪層需要實(shí)時(shí)通信？
工業(yè)以太網(wǎng)和互操作性
這里所列舉的5種解決方案都包含在IEC 工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中，但是這種標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)以太網(wǎng)將為用戶提供什么呢？無(wú)須懷疑，工業(yè)以太網(wǎng)所帶來(lái)的好處遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有總線協(xié)議所帶來(lái)的。以太網(wǎng)大的帶寬、標(biāo)準(zhǔn)化的物理層和數(shù)據(jù)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(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線層非常具有吸引力。
探索現(xiàn)場(chǎng)總線戰(zhàn)爭(zhēng)所引發(fā)的不兼容性問題，工業(yè)以太網(wǎng)的成功從OSI模型的第1和第2層開始，將取得現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程所不能達(dá)到的程度：互操作性。互操作性允許設(shè)備共享信息的通用視點(diǎn)，而不管其下層的協(xié)議，這樣允許支持不同協(xié)議的設(shè)備可以有效地進(jìn)行通信。互操作性允許用戶基于質(zhì)量選擇設(shè)備，而不是根據(jù)設(shè)備支持什么協(xié)議而進(jìn)行選擇，并允許生產(chǎn)商容易地支持多協(xié)議，這就吸引更加廣大的市場(chǎng)。
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(wǎng)（或以太網(wǎng)II）基礎(chǔ)上運(yùn)行的，因此它們都能在同一種電纜上物理地通信。每個(gè)協(xié)議支持多種等級(jí)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(xié)議使用光纖或Cat5以太網(wǎng)電纜都能進(jìn)行連網(wǎng)，這就允許任何協(xié)議的設(shè)備都能插入到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。不幸地，這并不沒有更多地意味著作為標(biāo)準(zhǔn)化解決方案的基礎(chǔ)，即互操作性。
設(shè)備的互操作性依賴于其應(yīng)用層的定義。設(shè)備固有地并不理解應(yīng)用數(shù)據(jù)。但是，它們必須優(yōu)先了解數(shù)據(jù)含義，這就是互操作性問題的癥結(jié)所在，互操作性允許用戶基于質(zhì)量而不是根據(jù)設(shè)備支持哪種協(xié)議而選擇設(shè)備。在一臺(tái)設(shè)備上支持多種協(xié)議并不是通用的做法，因?yàn)檫@很昂貴也很難實(shí)現(xiàn)。
通用的應(yīng)用層行規(guī)本應(yīng)允許所有工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備能互操作（雖然它不能自動(dòng)地保證兩種不同的硬實(shí)時(shí)協(xié)議將維持其時(shí)間性）。但是，IEC 61784近期的標(biāo)準(zhǔn)化工作正致力于做通信行規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化系列，這提供的互操作性將是工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中最重要的組成部分。
正如每個(gè)協(xié)議所代表的不同，它們?yōu)椴煌瑢犹峁┓?wù)，因此一些協(xié)議在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)成為了最佳的解決方案。相信每種協(xié)議都應(yīng)該賦予其特殊的用途，以區(qū)別其它的協(xié)議，但是目標(biāo)仍然是持續(xù)開發(fā)支持所有協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備行規(guī)-這樣就允許多種協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)上容易地實(shí)現(xiàn)互操作。這將允許用戶選擇一種完全適合其特殊應(yīng)用的協(xié)議，并保證它將與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)系統(tǒng)互操作。
雖然我們應(yīng)該抱有希望，但是很難預(yù)測(cè)是否通用的應(yīng)用層技術(shù)（跨越所有當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定）將被標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案使用與原有現(xiàn)場(chǎng)總線兼容的（如果不是等同的話）設(shè)備行規(guī)；要實(shí)現(xiàn)一種通用的設(shè)備行規(guī)它能支持所有需要的傳統(tǒng)協(xié)議是很困難的。它能實(shí)現(xiàn)嗎？有可能，但是這需要用戶和制造商的呼吁，而且即使實(shí)現(xiàn)了，也不能保證工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程在協(xié)議的互操作性方面不重復(fù)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)程。當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)情況使得仔細(xì)考慮所提供的解決方案以對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的特定要求成為必要。對(duì)于互操作性和支持常規(guī)TCP/IP通信的程度的要求未必出自誠(chéng)意，因而對(duì)于實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)總是必須仔細(xì)審查。
一直以來(lái)，當(dāng)新出現(xiàn)的產(chǎn)品迫不及待地強(qiáng)占市場(chǎng)份額時(shí)…買主必須自己當(dāng)心產(chǎn)品的品質(zhì)。
EtherNet/IP
EtherNet/IP使用與DeviceNet和ControlNet相同的用戶層和應(yīng)用層，即控制和信息協(xié)議（CIP），這使這三種網(wǎng)絡(luò)能完全地互操作。Ethernet/IP完全使用COTS組件。
當(dāng)使用CIPSync時(shí)，Ethernet/IP能進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)兩者，對(duì)實(shí)時(shí)性能有很大的影響。
EtherCAT
EtherCAT(用于控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng))規(guī)定的全雙工快速以太網(wǎng)通信是基于主/從原則的，其中主站發(fā)起所有的傳輸。為了傳遞實(shí)時(shí)性能，EtherCAT在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)報(bào)文中封裝了大量以太網(wǎng)命令。EtherCAT可以通過切換器與正常的基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互操作。當(dāng)EtherCAT位于一個(gè)切換器端口，其它任何基于以太網(wǎng)的通信（例如常規(guī)的TCP/IP）位于不同端口，這樣不干預(yù)EtherCAT的運(yùn)行，此時(shí)EtherCAT和任何基于以太網(wǎng)的協(xié)議都能并存。
Profinet
Profinet協(xié)議規(guī)定在快速以太網(wǎng)上的全雙工通信，并支持星型、線型和環(huán)型拓?fù)洹rofinet-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(wǎng)中基于TCP/IP通信的確定性通信。通信是循環(huán)的，每個(gè)周期分為標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP開放通道和確定性的RT通道。使用時(shí)間片技術(shù)使設(shè)備高度同步化并實(shí)現(xiàn)確定性通信。
Ethernet Powerlink
Ethernet Powerlink（EPL）設(shè)備使用沒有特殊芯片的COTS以太網(wǎng)硬件。但是，為了實(shí)現(xiàn)最小的循環(huán)時(shí)間和抖動(dòng)，建議在EPL節(jié)點(diǎn)安裝附加的處理器，單獨(dú)執(zhí)行EPL網(wǎng)絡(luò)堆棧。EPL支持任何拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)由標(biāo)準(zhǔn)的類型2集線器所建立。
由于EPL是在共享IEEE 802.3介質(zhì)上運(yùn)行的硬RT協(xié)議，它使用主站設(shè)備控制介質(zhì)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(gè)周期中的實(shí)時(shí)通道和非同步通道是循環(huán)的。在實(shí)時(shí)通道中，從站被主站輪詢，在請(qǐng)求時(shí)傳輸。非同步周期允許傳輸IP幀，但僅當(dāng)主站命令時(shí)才這么做。這種通信方式不支持在同一個(gè)段上的常規(guī)通信。但是，EPL可以通過EPL網(wǎng)關(guān)設(shè)備與常規(guī)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(huán)型或線型拓?fù)洹Ｃ總€(gè)網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主站和多個(gè)從站。通信是循環(huán)的，主站控制節(jié)點(diǎn)的同步化。
在IP通道中通信的非Sercos以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)與SercosIII網(wǎng)絡(luò)接口。
目前，有計(jì)劃將SercosIII核集成到一般用途的模塊中，這樣給多種以太網(wǎng)協(xié)議提供硬件支持，因而在運(yùn)行特殊協(xié)議時(shí)只要求軟件驅(qū)動(dòng)器。
參考：
（1）M.Felser,工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化-下一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)，第5屆工廠通信系統(tǒng)國(guó)際研討會(huì)，奧地利2004.pp413-421。
Paula Doyle是Limerick大學(xué)的博士后研究人員。
晏波譯自“The Industrial Ethernet Book”第27期
楊昌琨校對(duì)
原載《國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)》
