实时工业以太网概述

将计算机网络中的以太网技术应用于工业 自动化领域构成的工业控制以太网，简称工业以太网或以太网现场总线，是当前工业控制现场总线技术的一个重要发展方向。与使用传统技术的现场总线相比，以太网现场总线具有以下优点：

· 传输速度快，数据包容量大，传输距离长 ;

· 使用通用以太阿元器件，性能价格 比高 ;

· 可以接入标准以太网网段。

实时以太网( RTE，Real Time Ethemet) 是常规以太网技术的延伸，以便满足工业控制领域的实时性数据通信要求。目前 ，国际上有多种实时工业以太阿协议，国际电工委员会IEC 制定了两个与实时工业以太网相关的标准：

(1) IEC61158:工业通信网络一一现场总线规范(Industrial communication networks -Fieldbus specifications)

IEC61158 是 IEC 制定的现场总线国际标准，于1999年发布了第一版，包括 8 种现场总线协议。随着实时以太网的发展 ，IEC61158 也新增了实时以太网的标准，于 2007 年 12月出版的 IEC61158 第 4 版包括了10 种工业以太网协议标准，如表 1.1 所列 。其中 Type2 CIP(Common Industry Prot∞01) 包括 DeviceNet、ControlNet 现场总线和 Ethernet/IP 实时工业以太网 。

(2) IEC61784:工业通信网络一一行规规范( Industrial communication networks-Profiles)

IEC61784 为IEC61158 中的现场总线标准制定了应用行规标准 ，其中第一部分IEC61784-1 为传统现场总线的应用行规族( CPF ,Communication Profile Family) ，第二部分 IEC61784-2 为基于 ISO/IEC 8802-3 的实时工业以太网CPF。表1.1中也 同时列出了 CPF与IEC61158 当中技术名称的对应关系 。

以太网的介质访问控制 MAC(Media Access Control)方式采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制 CSMAlCD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。 这是一种非确定性的介质访问控制方式，不能满足工业现场总线的实时性要求。目前，市场上已有的实时工业以太阿根据不同的实时性和成本要求使用不同的实现原理，大致可以分为以下三种类型，如图1.1 所示。

(1) 基于 TCP/IP 的实现(如因 1.1( a) 所示)

这种方式仍使用TCP/IP 协议栈，通过上层合理的控制来应对通信中非确定性因素。此时，实时网络可以与商用网络自由地通信。常用的通信控制手段有 :合理调度，减少冲突的可能性：定义数据帧的优先级，为实时数据分配最高的优先级 ;使用交换式以太网等。使用这种方式的典型协议有 ModbuslTCP 和 Ethemet/IP 等。这种方式不能实现很好的实时性，只适用于对实时性要求不高的工业过程自动化应用 。

(2) 基于以太网的实现(如图1.1( b) 所示 )

这种方式仍然使用标准的、未修改的以太阿通信硬件，但是不使用 Tα'/IP 来传输过程数据。 它引入了一种专门的过程数据传输协议，使用特定以太类型的以太网帧进行传输。TCP/IP 协议栈可以通过一个时间控制层分配一定的时间片来使用以太网资源 。这类协议主要有 Ethernet Powerlink、EPACEthernet for Plant Automation) 、PROFINet RT等通过这种方式。这种方式可以实现较高的实时性。

(3) 修改以太网的实现(如罔 1.1( c) 所示)

为了获得响应时间小于 Ims 的硬实时，通过这种方式对以太阿协议进行了修改。其从站由专门 的硬件实现。在实时通道内由实时 MAC 接管通信控制，彻底避免报文冲突，简化通信数据处理。非实时数据仍然可以在开放通道内按照原来的协议传输。 这种方式下的典型协议有 EtherCAT、SERCOS 和 III 和 PROFINet IRT 等.