發布日期：2022-07-14 點擊率：108
以太網主要用在商業環境，而工業以太網主要用在自動化設備上。自動化設備在實時性、確定性、可靠性上遠遠高于商業環境。商業環境對信息的傳輸，延時一秒是可以接受的，而某些工業設備對實時性要求是時延不超過幾十毫秒，對網絡要求不同。
以太網的通訊機制
以太網是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸的網絡，采用星型和總線型結構，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。
以太網產生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術。在傳統的共享網絡中，由于以太網中所以的站點，采用相同的物理介質相連，這就意味著2臺設備同時發出信號時，就會出現信號見的互相沖突。為了解決這個問題，以太網規定，在一個站點訪問介質前，必須先監聽網絡上有沒有其他站點在同時使用該介質。如果有則必須等待，此時就發生了沖突。為了減少沖突發生的幾率，以太網常采用1-持續CSMA，非持續CSMA，P-持續CSMA的算法2。
由于以太網是以辦公自動化為目標設計的，并不完全符合工業環境和標準的要求，將傳統的以太網用于工業領域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業網絡低，技術透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協議為各現場總線廠商大開了方便之門。
以太網的缺陷
1、確定性
由于以太網的MAC層協議是CSMA/CD，該協議是的網絡上存在沖突。對于一個工業網絡，如果存在著大量的沖突，就必須多次重發數據，使得網絡間通信的不確定性大大增加，帶來系統控制性能的降低。
2、實時性
在工業控制系統中，在一個事件發生之后，系統必須在一個可以準確預見的時間范圍內作出反應。而工業上對數據傳輸的實時性要求非常高，數據的更新是在數十毫秒完成。而以太網的CSMA/CD機制，當發生沖突時重發數據，可以嘗試16次，這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。
而設備的掉線，可能會造成重大的設備或者人身安全事故。
3、可靠性
以太網是為商業設計的，但應用到工業現場，面對惡劣的工況、嚴重的線間干擾，必然降低其可靠性。所以工業網絡要求具有高的可靠性，可恢復性以及可維護性。
工業以太網的解決機制
1、交換技術
將共享的局域網進行有效的沖突域劃分機制。各個領域之間用交換機連接，減少沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發生，提高系統的確定性。
2、高速以太網
沖突的發生與負載有關，負載越大，發生沖突的概率越大。提高以太網的通訊速度，可以有想降低網絡的負荷。
3、IEEE1588對時機制
IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協議(PTP)。此協議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網絡通信時同步控制信號產生一定的波動時，它所達到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網的系統。通過采用這種技術，以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。此外，在企業的各層次中使用基于以太網TCP/IP協議的網絡技術有著巨大的優勢。
一個包括IEEE1588對時機制的簡單系統至少包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據最優化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統或現存的主時鐘與網絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。如果多個PTP子系統需要互聯，則必須由邊界時鐘來實現。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統相聯，并且為整個系統提供時鐘標準。因此這個子系統的主時鐘是整個系統的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時鐘的端口對子系統來說是普通時鐘。
IEEE1588所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現在已經有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。
工業以太網典型協議
典型的工業以太網包括4種協議：HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。
HSE
基金會現場總線FF于2000年發布Ethernet規范，稱HSE(High Speed Ethernet)。HSE是以太網協議IEEE802.3，TCP/IP協議族與FFIll的結合體。FF現場總線基金會明確將HSE定位于實現控制網 絡與Internet的集成。
Modbus
Modbus TCP/IP
該協議由施耐德公司推出，以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網和TCP/IP結合，成為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應答，這種呼叫/應答的機制與Modbus的主/從機制相互配合，使交換式以太網具有很高的 確定性，利用TCP/IP協議，通過網頁的形式可以使用戶界面更加友好。
ProflNet
針對工業應用需求，德國西門子于2001年發布了該協議，它是將原有的Profibus與互聯網技術結合，形成了ProfiNet的網絡方案。
ProfiNet采用標準TCP/IP十以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM來完成節點間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場設備。
Ethernet
Ethernet/IP
Ethernet/IP是適合工業環境應用的協議體系。它是由ODVA(Open Devicenet Vendors Asso-cation)和Control Net International兩大工業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)協議的網絡。它是一種是面向對象的協議，能夠保證網絡上隱式(控制)的實時I/O信息和顯式信息(包括用于組態、參數設置、診斷等) 的有效傳輸。
未來提供工業骨干網的解決方案，對于傳統的自動化設備的高端儀器，其通訊的性能要求是可以達到工業以太網的級別的。
就如文中所述，隨著網絡速率的提升，未來可能以太網與工業以太網的差異不大。但至少現在還有差異，無論如何，要實現全部設備的骨干網，需要：
1、支持現有的工業以太網的協議;
2、提升網絡的性能，解決現有以太網的問題中，工業以太網已經解決的問題;
3、未來是否可能實現無線網絡的性能達到工業以太網的性能?
實現了前面兩條，我認為工業骨干網才可能被工業企業接受。
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