六种工业以太网比较.doc

六种工业以太网比较摘要：当前，工业以太网技术是控制领域中的研究热点。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前，几种典型的工业以太网有HSE、PROFInet、Modbus/TCP、EtherNet/IP、Powerlink、EPA六种。本文通过对这六种工业以太网比较，以便更好的应用于系统集成。关键词：工业以太网、HSE、PROFInet、Modbus、EtherNet、Powerlink、EPA与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。由于这些优点，特别是与信息传输技术的无缝集成以及传统技术无法比拟的传输宽带，以太网得到了工业界的认可。1HSE(高速以太网) HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织(FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。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）。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商用以太网设备。100Mbps以太网拓扑是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IEEE 802.3信号传输，标准的Ethernet接线和通信媒体。设备和交换机之间的距离，使用双绞线为100米，光缆可达2千米。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统，LD执行网桥功能，它允许就地连在H1网络上的各个现场设备，以完成点对点对等通信。HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置 该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持FF-H1现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过连接装置与H1装置相连接。HSE主要用于过程控制级别的一种现场总线标准，目前主要用于两种情况：一类是计算量过大而不适合在现场仪表中进行的高层次模型或调度运算；第二类是多条H1总线或其它网络的网关桥路器。2PROFInetPROFInet由西门子公司和PROFIBUS用户协会开发，是一种基于组件的分布式以太网通讯系统。 PROFInet支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的TCP/IP基础之上。PROFInet没有定义其专用工业应用协议。使用已有的IT标准，它的对象模式基于微软公司组件对象 (COM) 技术。对于网络上所有分布式对象之间的交互操作，均使用微软公司的DCOM协议和标准TCP和UDP协议 。PROFInet用于PROFIBUS的纵向集成，它能将现有的PROFIBUS网络通过代理服务器(Proxy)连接到以太网上，从而将工厂自动化和企业信息管理自动化有机地融合为一体。系统可以通过代理服务器实现与其它现场总线系统的集成。PROFInet通过优化的通信机制满足实时通信的要求。PROFInet基于以太网的通信有3种，分别对应不同的工业实时通讯要求。PROFInet 1.0基于组件的系统主要用于控制器与控制器通讯；PROFInet-SRT软实时系统用于控制器与I/O 设备通讯；PROFInet-IRT硬实时系统用于运动控制。3Modbus/TCPModbus/TCP是由Schneider公司于1999 年公布的一种以太网技术。Modbus/TCP基本上没有对Modbus协议本身进行修改,只是为了满足控制网络实时性的需要，改变了数据的传输方法和通信速率。Modbus/TCP以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中,在应用层采用与常规的Modbus/RTU协议相同的登记方式。 Modbus/TCP采用一种面向连接的通信方式,即每一个呼叫都要求一个应答。这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合,使Modbus/TCP交换式以太网具有很高的确定性。 Modbus/TCP允许利用网络浏览器查看控制网络中设备的运行情况。Schneider公司已经为Modbus注册了502端口,这样就可以将实时数据嵌入到网页中。通过在设备中嵌入Web Server，即可将Web浏览器作为设备的操作终端。Modbus/TCP所包括的设备类型为:连接到Modbus/TCP网络上的客户机和服务器；用于Modbus/TCP网络和串行线子网互连的网桥、路由器或网关等互连设备。4EtherNet/IPEtherNet/IP由ODVA开发，2000年3月推出。EtherNet/IP 利用现有的以太网通讯芯片和物理介质，所有标准的以太网通信模块，如PC接口卡、电缆、连接器、集线器和开关都能与EtherNet/IP一起使用。应用层使用已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息协议 (CIP)。CIP提供了一系列标准的服务，提供“隐式”和“显示”方式对网络设备中的数据进行访问和控制。通过以太网传输的CIP数据包具有特殊的以太网报文头，包括一个IP头、一个TCP头和封装头。封装头包括了控制命令、格式和状态信息、同步信息等。相对于DeviceNet或ControlNet，CIP封装的缺点是协议的效率比较低。以太网的报文头可能比数据本身还要长，从而造成网络负担过重。因此，EtherNet/IP更适用于发送大块的数据（如程序），而不是DeviceNet和ControlNet更擅长的模拟或数字的 I/O 数据。应用于控制场合的EtherNet/IP网络拓扑一般采用有源星型拓扑(10/100Mb/s)，成组的设备采用点对点方式连接到以太网交换机。交换机是整个网络系统的核心。EtherNet/IP现场设备具有内置的Web Server功能, 不仅能够提供WWW服务,还能提供诸如电子邮件等网络服务,其模块、网络和系统的数据信息可以通过网络浏览器获得。EtherNet/IP的现有产品已能通过HTTP提供诸如读写数据、读诊断、发送电子邮件、编辑组态数据等能力。5Powerlink标准化组织（ETHERNET Powerlink Standardization Group，EPSG）成员包括ABB（Robotics）、B&R、Hirschmann、Kuka、Lenze等20几家工业自动化生产、研发机构。2001年B&R公司率先提出Powerlink技术。Powerlink的目标是确定性、实时性工业以太网。Powerlink主要有两个方面的技术特点：一是能够与IT技术无缝连接，可以继续应用IP协议族（HTTP、Telnet、FTP等）；另一方面，开发了网络协议栈取代传统的TCP/IP协议栈，从根本上实现了网络数据的有效控制和管理。 Powerlink在通信管理上引入了管理节点（Managing node）和控制节点（Control node）的概念。整个网络有唯一的管理节点，在管理节点统一调度下，管理节点和控制节点之间、以及控制节点之间的通信周期地进行。每个通信周期可以有对应的时间域用于传输实时数据和标准以太网数据流。 Powerlink工作模式分为开放模式、保护模式和基本以太网模式，3种模式之间可以方便切换。开放模式允许Powerlink网络中直接连接标准以太网设备，即不需要分离的网络；保护模式需要网络分离，即标准以太网设备需要经过网关访问Powerlink节点；对于基本以太网模式，Powerlink节点就成为标准以太网设备。6.EPA EPA(Ethernet for Plan Automation)用于工业测量与控制系统的以太网技术，是在国家“863”计划支持下，由浙江大学、浙江中控技术股份有限公司等共同开发的。EPA是我国第一个被国际认可和接收的工业自动化领域的标准。EPA完全兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP（TCP）/IP等协议，采用UDP协议传输EPA协议报文，以减少协议处理时间，提高报文传输的实时性。商用通信线缆（如五类双绞线、同轴线缆、光纤等）均可应用于EPA系统中，但必须满足工业现场应用环境的可靠性要求，如使用屏蔽双绞线代替非屏蔽双绞线。结语：由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网