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工業控制領域中，計算機的應用從單片機、可編程控制器、微機系統到工業控制網絡，推動了生產方式的革命�？煽�、及時、準確的獲得工業現場設備的信息是工業控制系統的基本要求，而可靠的工業控制網絡則是迅速有效的收集、傳送工業現場生產數據與管理數據的基本保障。

工業生產現場的環境與一般商業環境有較大不同，其溫度、濕度變化范圍大，空氣污濁、粉塵污染大，振動、電磁干擾大，而且工業控制網絡必須連續、可靠的運行，它的任何中斷和故障都可能造成停產，甚至引起設備損壞和人身傷亡事故。實時性不僅是工業控制網絡的基本要求也是可靠性的關鍵指標，如果系統采集到的數據不能實時的通過控制網絡反饋給相應的設備進行處理，將會產生嚴重甚至災難性的后果，比如核電站關閉系統如果不能實時、可靠的接收、處理關閉指令，那將是不可想象的。

傳統的工業控制網絡即通常所說的現場總線，在國際電工委員會IEC的支持下經過幾十年的發展已經取得了長足的進步，并且形成了多種國際標準，比如在汽車檢測與控制中大量使用CAN總線，在工廠制造業中流行的Profibus總線，在航空航天檢測與控制中的SwiftNet等等。這些不同類型的傳統控制網絡之所以如此流行，主要原因是傳統工業控制網絡滿足工業控制現場的高可靠性與實時性要求。但是由于商業利益因素的原因，現行的多種現場總線標準等于無標準，多標準意味著不同廠商提供的產品無法進行混合組態，也就是說無法構建一個開放式的工業控制網絡系統，使連接在上面的由不同廠商生產的設備進行協同工作。

隨著工業控制現場的規模、復雜性的日益擴大，對一個開放、統一、互操作性強的控制網絡的呼聲越來越高。以太網在世界上所有網絡環境中占據了超過80％的份額，所以它自然引起了工業現場的廣泛關注，因為其具有如下優點：

1. 開放的協議：采用公開的國際標準和協議（標準以太網802.3協議、TCP/IP協議等）。

2. 兼容性：不同廠商所開發的各種類型的設備和服務具有很好的兼容性，互操作性強。

3. 成本低廉：以太網應用最為廣泛，多種硬件可供選擇，價格只有傳統現場總線的十分之一。

4. 趨勢性：基于TCP/IP的以太網技術是未來網絡應用的發展方向�，F存的公共電話交換網絡PSTN、通信網絡ATM都將過渡到基于TCP/IP的以太網。

但是以太網技術進入工業控制網絡領域還必須要解決其兩個核心問題：低可靠性與較差的實時性。

當初發展以太網，主要把它定位于商業網絡，所以，一方面，商業以太網的硬件技術規范不能面對工業現場的惡劣環境和滿足高可靠性要求。

項目	技術規范
元器件	商用級別
接口	普通RJ-45
電源冗余	無
網卡冗余	無
傳輸線冗余	無
安裝方式	桌面、機架
工作溫度	5－40攝氏度
電磁兼容性標準	EN 50081-2（辦公室用EMC）
MTBF	3－5年

另一方面，商業以太網的通信協議也無法保證工業控制網絡中數據收發的實時性與可靠性。比如，以太網中的CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）協議，嚴重影響了數據包傳送的確定性與實時性。因為根據CSMA/CD的規定，網絡中的每一個節點在發送數據包前首先監聽信道是否空閑，如果空閑，就開始發送數據，但是，兩個或多個節點有可能同時檢測到網絡空閑，那么，它們幾乎就會開始在同一時刻開始傳輸各自的數據。這樣一來，這些同時發送到信道上的數據，就會產生沖突。CSMA/CD解決沖突的方法是這樣：當一個傳輸節點識別出一個沖突，它就廣播一個擁塞信號，其他正在傳送數據的節點在收到擁塞信號后，都停止傳輸，并等待一個時間間隔后重發，但是，重發也有可能再次失敗，因為可能很多節點都在申請信道傳送數據，所以該節點不得不又進入下一個等待。由此可見，當網路中節點之間數據交換頻繁，負載較大時，網絡傳輸效率很低，更重要的是根本無法確定一個節點在多長時間內才能收到數據，更不用說實時接受數據。在工業控制領域，這種傳輸時間的不確定性和無法保證的實時性往往是故障和事故產生的原因，直接影響了網絡控制系統的可靠性。

為了克服商業以太網在可靠性、確定性、實時性方面的缺陷，推進以太網進入工業控制領域，IEEE、IEC等標準組織以及全球各大廠商進行了不懈努力，在兼容普通商用以太網技術標準的基礎之上對現有的商用以太網進行了改進，形成了所謂的工業以太網。下面，將從硬件設備和通信協議兩方面對工業以太網的可靠性和實時性解決方案進行討論。

2.1 硬件設備解決方案

從抗擊惡劣環境上講，工業以太網的元器件、接口全部達到工業級要求，具有耐腐蝕、防塵、防水特性，比如采用加固型的RJ-45或者DB-9代替一般商用的RJ-45接口；工業以太網設備能夠工作在更寬廣的溫度范圍之內：－40——＋85攝氏度之間；電磁兼容性標準遵守EN50081-2，即工業級EMC標準；MTBF至少10年。

相比普通商業以太網，工業以太控制網絡的硬件構成上還有如下變化：

1. 使用高速交換機替代集線器和網橋。在以太網中，從任意節點發送出的廣播報文將被發送給所有集線器端口上的設備，它并沒有對廣播區域進行隔離，因而會造成嚴重的擁塞。而交換機在內部建立并維護一個MAC地址與端口的映射表，并通過配置虛擬局域網功能（VLAN），將若干個端口劃分為一個組，這樣一來，從該組某一端口發送的數據包只能發送給組內的其它端口，有效的對端口沖突區域進行了隔離。此外，交換機還能夠對數據幀進行臨時緩沖，用來解決短時期內對同一輸出端口的爭奪�？傊�，交換機的使用大大減少了沖突的出現，減輕了網絡負載，有效防止了因為負載過重導致的網絡崩潰事故，在提高了網絡效率的同時，提高了網絡系統的可靠性。

2. 使用千兆以太網。千兆以太網具有傳統百兆以太網10倍的線速度，能夠充分滿足高帶寬應用項目的要求。1000Mbps以太網比100Mbps以太網有著更高的數據沖突恢復能力，前者的數據沖突后退等待時間是后者的十分之一。當網絡負荷較重，經常出現數據沖突的情況下，千兆以太網的性能要明顯優于百兆以太網。而在數據沖突不嚴重的時候，千兆以太網能夠提供更大的帶寬，支持更多的網絡負荷。

3. 使用雙冗余網卡。網絡當中的每個節點采用雙網卡進行故障冗余切換，每個節點分別連接到兩臺交換機（其中一臺交換機作為另一臺的熱備份），交換機之間采用級聯線相連，如圖1所示。在雙網卡中，主網卡監視網絡連接是否正常，運行在上面的專用驅動軟件監視網卡的工作狀態，如果由于連接線路、交換機或者網卡出現故障，導致鏈路失效，那么監視軟件會自動把MAC地址和所有連接從主網卡轉移到備用網卡，并把這個備用網卡的信息廣播出去，并通過備用交換機重建鏈路，使會話繼續下去。雙冗余網卡極大的提高了整個控制網絡的可靠性。

2.2 通信協議解決方案

1．實時以太網介質訪問控制協議（RT-CSMA/CD）。它是面向工業控制的以太網MAC協議改進方案，是根據通信子網實時性所必須滿足的三個時間約束條件提出的。RT-CSMA/CD利用信道沖突，通知非實時節點或者低優先級實時節點停止傳輸，把通信信道留給高優先級的實時節點。該協議是一個與普通以太網MAC協議標準兼容的確定性的實時通信協議，這樣標準的以太網節點均可不作任何改動直接掛接在該系統上進行通信，既提高了工業以太網的實時性與可靠性，又保證了兼容性。

2．服務質量(QoS)。IP QoS是指IP的服務質量（Quality of Service），也即IP數據流通過網絡時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質量保證，提高系統的可靠性。在工業以太網中采用QoS技術，可以識別并優先處理來自控制層的擁有較高優先級的數據，提高了實時性。

3．IEEE 1588網絡測控系統精確時鐘同步協議。它定義了一種精確時間協議PTP（Precision Time Protocol），用于對工業以太網或其他采用多播技術的分布式總線系統中的傳感器、執行器以及其他終端設備中的時鐘進行亞微秒級同步。它的主要原理是通過一個同步信號周期性的對網絡中所有節點的時鐘進行校正，使得最精確時鐘與其他時鐘保持同步，從而使基于工業以太網的整個控制系統達到精確同步。

4．工業以太網應用層協議。傳統的工業現場總線支持廠商，都在致力于提供各自的工業以太網解決方案，力圖達到工業控制網絡的可靠性與實時性要求，并同時希望達到互操作性。經過國際標準組IEC的投票決定，新增的工業以太網國際標準IEC61784-2包括以下內容：

（1）Profinet：該協議是西門子公司所主導的，其采用普通的TCP/IP協議通道來實現非實時數據的傳輸，同時將OSI模型的第三和第四層進行旁路，實現一個實時通道來傳輸實時數據。實時通道（RT）實現了高性能循環數據傳輸、時間控制信號和報警信號；同步實時通道（IRT）實現等時同步方式下的數據高性能傳輸，如圖2所示。Profinet還對傳輸數據長度做了限制，還根據IEEE802.1P定義了報文的優先級，其中最高級用于硬實時數據的傳輸。

（2）Modbus-RTPS：由法國施奈德公司主導，為以太網建立一個新的應用層實時通信協議RTPS來實現實時通信。Modbus-RTPS同時提供實時服務和非實時服務。非實時通信基于TCP/IP協議；實時通信服務建立在實時發布者/訂閱者模式和Modbus協議之上。RTPS協議及其API由一個對各種設備都一致的中間件來實現，它采用RTI公司的NDDS實時通信系統。

（3）Ethernet/IP：在TCP/IP之上附加控制和信息協議（CIP），以便在應用層進行實時數據交換和實時運算。CIP控制和信息協議是Ethernet/IP的特色，CIP的控制部分用來實現實時I/O通信；信息部分用來實現非實時信息交換。也就是說，采用控制協議來實現實時I/O報文傳輸或者內部報文傳輸；采用信息協議來實現信息報文交換和外部報文交換。Ethernet/IP同時采用IEEE1588時鐘同步機制。

（4）Ethernet Powerlink：由奧地利Rainer控制公司開發的，針對TCP/UDP/IP協議棧進行了實時擴展，增加了基于TCP/IP的異步中間件（ASync）用于異步數據的傳輸，如圖3所示。Powerlink�？刂浦W絡上數據的流量，通過采用時間片網絡通信管理機制（SCNM）可以避免網絡上的數據沖突。在SCNM機制中，專用的時間片用于調度等時同步傳輸的實時數據，共享的時間片用于異步的數據傳輸。Powerlink需要采用基于IEEE1588的時鐘同步。

（5）EPA：在國家科技部“863”計劃的支持下，中國幾所高校聯合制定了我國的工業以太網標準。在EPA系統中，整個控制網絡被劃分為若干個控制區域，每個控制區域即為一個微網段。每個微網段通過EPA網橋與其他網段相連，微網段內EPA設備間的通信被限制在該控制區域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。與OSI基本通信模型相比，EPA主要是在應用層添加了EPA應用協議，同時為了提高網絡的實時性能，EPA還增加了一個EPA通信調度管理實體對ISO/IEC 8802.3中的協議數據鏈路層進行了擴展。

通過以上探討，可見工業以太網已經解決了普通商業以太網可靠性低與實時性差這兩個核心問題，再加上以太網技術開放性與成本低廉的優勢，為其滲透進入工業控制網絡系統提供了強大動力。2006年在紐倫堡舉辦的汽車展覽會上,奧迪、寶馬、克萊斯勒和大眾四家主要汽車公司宣布,同意支持工業以太網標準Profinet，此舉雖然不能說明國外汽車廠商將會放棄傳統的CAN總線網絡，但可以看出工業以太網是今后工控網絡的發展趨勢與方向。當前，工業以太網在我國的應用還并不廣泛，我國的生產現場中，大型船舶、軍事艦艇上的各子系統仍然采用的是相對孤立且形式各異的數據采集方式、監視控制手段和網絡體制，由此造成的信息通用性差、通信效率低、網絡布線復雜等問題使得近年來人們已經開始提出一體化網絡建設需求。根據本文對工業以太網技術的分析，為了適應未來工控網絡的發展趨勢，我們完全可以應用工業以太網技術將生產現場、大型艦船中的監控網絡、控制網絡、數據傳輸網絡融合在一起，達到“一網到底”的目的。

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左雷（1963-）男，高級工程師，空軍工程設計研究局計算機應用研究室主任。主要研究方向：計算機網絡、多媒體設計、企業信息管理。09936