什么是以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的區別
即使是一些企業(yè)里的技術(shù)人員也對工業(yè)以太網(wǎng)以及以太網(wǎng)的概念很模糊不是很清楚，而工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)有哪些區別呢？我想在這給大家普及一下！
傳統自動(dòng)化行業(yè)的工業(yè)總線(xiàn)或者工業(yè)以太網(wǎng)連接的對響應速度、安全可靠性要求高的通訊解決方案（比如煉油廠(chǎng)的自動(dòng)化設備的通訊方案）；傳統工業(yè)沒(méi)有通訊，但在未來(lái)智能制造領(lǐng)域會(huì )連接的設備（比如采油、物流環(huán)節，以前有線(xiàn)連接成本高，可借助無(wú)線(xiàn)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)）。
開(kāi)始了解工業(yè)以太網(wǎng)，是因為在為西門(mén)子撰寫(xiě)案例的時(shí)候，有一個(gè)是普光氣田集輸系統的一網(wǎng)到底的案例，主要介紹了在地域環(huán)境特殊的普光氣田的自動(dòng)化、信息化的通訊方案中，采用了有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)相結合，適用于商業(yè)應用的以太網(wǎng)，和適用于工業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)相融合的骨干網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現了一網(wǎng)到底（工業(yè)、商業(yè)公用一個(gè)網(wǎng)絡(luò )）。
研究一網(wǎng)到底的概念時(shí)，發(fā)現最早（我能找到的資料中）的提出一網(wǎng)到底概念的是2010年SixNet在推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)的時(shí)候，提出來(lái)的一網(wǎng)到底，實(shí)現自動(dòng)化和信息化的無(wú)縫集成。
在工業(yè)以太網(wǎng)出現之前，自動(dòng)化的通訊方式最主要的是利用總線(xiàn)做通訊。但是因為總線(xiàn)需要布線(xiàn)，而隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的普及，以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )也越來(lái)越普及。利用網(wǎng)絡(luò )實(shí)現自動(dòng)化通訊是一種趨勢，所以很多廠(chǎng)家推出了工業(yè)以太網(wǎng)。借助于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現自動(dòng)化與信息化的融合，從而實(shí)現一網(wǎng)到底。
工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)的區別
以太網(wǎng)主要用在商業(yè)環(huán)境，而工業(yè)以太網(wǎng)主要用在自動(dòng)化設備上。自動(dòng)化設備在實(shí)時(shí)性、確定性、可靠性上遠遠高于商業(yè)環(huán)境。商業(yè)環(huán)境對信息的傳輸，延時(shí)一秒是可以接受的，而某些工業(yè)設備對實(shí)時(shí)性要求是時(shí)延不超過(guò)幾十毫秒，對網(wǎng)絡(luò )要求不同。
以太網(wǎng)的通訊機制
以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線(xiàn)上傳輸的網(wǎng)絡(luò )，采用星型和總線(xiàn)型結構，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。
以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統的共享網(wǎng)絡(luò )中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著(zhù)2臺設備同時(shí)發(fā)出信號時(shí)，就會(huì )出現信號見(jiàn)的互相沖突。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以太網(wǎng)規定，在一個(gè)站點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)前，必須先監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )上有沒(méi)有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。如果有則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少沖突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續CSMA，非持續CSMA，P-持續CSMA的算法2。
由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標設計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標準的要求，將傳統的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著(zhù)明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò )低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現場(chǎng)總線(xiàn)廠(chǎng)商大開(kāi)了方便之門(mén)。
以太網(wǎng)的缺陷
1、確定性
由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議是的網(wǎng)絡(luò )上存在沖突。對于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，如果存在著(zhù)大量的沖突，就必須多次重發(fā)數據，使得網(wǎng)絡(luò )間通信的不確定性大大增加，帶來(lái)系統控制性能的降低。
2、實(shí)時(shí)性
在工業(yè)控制系統中，在一個(gè)事件發(fā)生之后，系統必須在一個(gè)可以準確預見(jiàn)的時(shí)間范圍內作出反應。而工業(yè)上對數據傳輸的實(shí)時(shí)性要求非常高，數據的更新是在數十毫秒完成。而以太網(wǎng)的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突時(shí)重發(fā)數據，可以嘗試16次，這種解決沖突的機制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而設備的掉線(xiàn)，可能會(huì )造成重大的設備或者人身安全事故。
3、可靠性
以太網(wǎng)是為商業(yè)設計的，但應用到工業(yè)現場(chǎng)，面對惡劣的工況、嚴重的線(xiàn)間干擾，必然降低其可靠性。所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò )要求具有高的可靠性，可恢復性以及可維護性。
工業(yè)以太網(wǎng)的解決機制
1、交換技術(shù)
將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分機制。各個(gè)領(lǐng)域之間用交換機連接，減少沖突問(wèn)題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統的確定性。
2、高速以太網(wǎng)
沖突的發(fā)生與負載有關(guān)，負載越大，發(fā)生沖突的概率越大。提高以太網(wǎng)的通訊速度，可以有想降低網(wǎng)絡(luò )的負荷。
3、IEEE1588對時(shí)機制
IEEE1588定義了一個(gè)在測量和控制網(wǎng)絡(luò )中，與網(wǎng)絡(luò )交流、本地計算和分配對象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議(PTP)。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達微秒范圍。它使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機制。即使在網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)同步控制信號產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達到的精度仍可滿(mǎn)足要求。這使得它尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統。通過(guò)采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò )控制系統之中。在區域總線(xiàn)中它所達到的精度遠遠超過(guò)了現有各種系統。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。
一個(gè)包括IEEE1588對時(shí)機制的簡(jiǎn)單系統至少包括一個(gè)主時(shí)鐘和多個(gè)從屬時(shí)鐘。如果同時(shí)存在多個(gè)潛在的主時(shí)鐘，那么活動(dòng)的主時(shí)鐘將根據最優(yōu)化的主時(shí)鐘算法決定。所有的時(shí)鐘不斷地與主時(shí)鐘比較時(shí)鐘屬性，如果新時(shí)鐘加入系統或現存的主時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)，則其他時(shí)鐘會(huì )重新決定主時(shí)鐘。如果多個(gè)PTP子系統需要互聯(lián)，則必須由邊界時(shí)鐘來(lái)實(shí)現。邊界時(shí)鐘的某個(gè)端口會(huì )作為從屬端口與子系統相聯(lián)，并且為整個(gè)系統提供時(shí)鐘標準。因此這個(gè)子系統的主時(shí)鐘是整個(gè)系統的原主時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘的其他端口會(huì )作為主端口，通過(guò)邊界時(shí)鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時(shí)鐘的端口對子系統來(lái)說(shuō)是普通時(shí)鐘。
IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò )同步協(xié)議實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達到了通信時(shí)間模式與應用程序執行時(shí)間模式分開(kāi)的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數據傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優(yōu)點(diǎn)是其標準非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，現在已經(jīng)有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。
工業(yè)以太網(wǎng)典型協(xié)議
典型的工業(yè)以太網(wǎng)包括4種協(xié)議：HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。
HSE
基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF于2000年發(fā)布Ethernet規范，稱(chēng)HSE(High Speed Ethernet)。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3，TCP/IP協(xié)議族與FFIll的結合體。FF現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )明確將HSE定位于實(shí)現控制網(wǎng) 絡(luò )與Internet的集成。
Modbus
Modbus TCP/IP
該協(xié)議由施耐德公司推出，以一種非常簡(jiǎn)單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網(wǎng)和TCP/IP結合，成為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個(gè)呼叫都要求一個(gè)應答，這種呼叫/應答的機制與Modbus的主/從機制相互配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的 確定性，利用TCP/IP協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式可以使用戶(hù)界面更加友好。
ProflNet
針對工業(yè)應用需求，德國西門(mén)子于2001年發(fā)布了該協(xié)議，它是將原有的Profibus與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結合，形成了ProfiNet的網(wǎng)絡(luò )方案。ProfiNet采用標準TCP/IP十以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標準TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC/DCOM來(lái)完成節點(diǎn)間的通信和網(wǎng)絡(luò )尋址。它可以同時(shí)掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場(chǎng)設備。
Ethernet
Ethernet/IP是適合工業(yè)環(huán)境應用的協(xié)議體系。它是由ODVA(Open Devicenet Vendors Asso-cation)和Control Net International兩大工業(yè)組織推出的最新成員與Device Net和Control Net一樣，它們都是基于CIP(Controland Information Proto-Col)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )。它是一種是面向對象的協(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò )上隱式(控制)的實(shí)時(shí)I/O信息和顯式信息(包括用于組態(tài)、參數設置、診斷等) 的有效傳輸。
未來(lái)提供工業(yè)骨干網(wǎng)的解決方案，對于傳統的自動(dòng)化設備的高端儀器，其通訊的性能要求是可以達到工業(yè)以太網(wǎng)的級別的。就如文中所述，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )速率的提升，未來(lái)可能以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的差異不大。但至少現在還有差異，無(wú)論如何，要實(shí)現全部設備的骨干網(wǎng)，需要：
1、支持現有的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議；
2、提升網(wǎng)絡(luò )的性能，解決現有以太網(wǎng)的問(wèn)題中，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)解決的問(wèn)題；
3、未來(lái)是否可能實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能達到工業(yè)以太網(wǎng)的性能？
實(shí)現了前面兩條，我認為工業(yè)骨干網(wǎng)才可能被工業(yè)企業(yè)接受。
朱先生