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摘
要：本文对工业以太网应用于智能建筑控制系统的趋势作了阐述;对普通以太网技术在工业控制应用中面临的问题做了简要介绍.特别讨论了以太网的确定性、实时性问题。
关键字：工业以太网
确定性 冲突域 交换式以太网 交换式集线器
前言
智能建筑技术的飞速发展，提出了设备可扩展性和可互操作性的要求。在此基础上建筑物自动化系统形成了向BACnet规范
和LonWork等现场总线两个方向发展的变革趋势。但随着1999年现场总线技术标准IEC61158的出台，8种现场总线都成为国际电工委员会（IEC）的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通讯标准。不同厂商的仪表设备在不同的FCS中兼容性问题并没有得到解决。因此,现场总线在智能建筑中的发展前景受到了很大的制约,世界各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题,于是目前在信息网络中广泛应用的以太网成为首选的目标。因为基于TCP/IP协议的以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，它支持几乎所有流行的网络协议。它能克服现场总线通信协议比较简单，通信速率比较低的缺点。
1.以太网的优点
以太网在其发展的二十年中得到了极为广泛的应用。已经成为一种主流技术。目前在构筑信息高速公路、在企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用了高速以太网。这主要是由于应用以太网有如下一些优势：
①基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，可以完美地解决横向通信和纵向通信在物理层,数据链路层,网络层和传输层采用统一的通信协议的问题,不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。
②以太网能便捷地访问远程系统，实现远程诊断和远程维护,共享/访问多数据库。
③以太网使以万维网为基础的所有手段可以毫不费力地移植到管控一体化系统中来。[1]
④能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。
⑤以太网是一种规模可大可小的技术,通过对网络进行网段细分,即全双工端口交换,可以用一种简单的方式向用户提供它们所需的带宽,并且平衡所有网络用户和网络设备的带宽需求。
以上这些优势使得以太网非常适合于应用到智能建筑的设备自动化系统中去。但是，以太网的发展是以办公自动化为目标的,这使得以太网必然带有不适合应用于工业控制系统的缺陷,这种缺陷有时是致命的。
2.以太网应用于工业控制系统时的问题
(1)
以太网存在实时性差，不确定性的问题[2]
确定性是指网络中任何节点、在任何负载情况下都能在规定的时间内得到数据发送的机会，任何节点都不能独占传输媒介。而实时性主要通过响应时间和循环时间来反映。
以太网虽然在商业领域得到了广泛的应用，但用标准的UDP或TCP/IP协议与Ethernet一起来构建实时控制网络是困难的。这主要是因为以太网的媒介访问控制协议――CSMA/CD有无法预见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权:节点监听信道，只有当发现信道空闲时，才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发。当实时数据与非实时数据在普通以太网上同时传输时，由于①实时数据与非实时数据在源节点的竞争②与来自其它节点的实时与非实时数据的碰撞，实时数据将有可能经历不可预见的大延时，甚至长时间发不出去的情况。以太网的整个传输体系并没有有效的措施及时发现某一节点故障而加以隔离，从而有可能使故障节点独占总线而导致其它节点传输失效。于是工业控制响应的实时性问题不能得到解决。
以太网的这一缺陷使它适合于信息传输系统而与过程控制系统的要求有一定的距离。这是因为信息传输系统与过程控制系统在通信的要求上有很大的不同:信息传输的主要要求是速度快,过程控制系统不仅要求速度快,还要求响应快,即实时性好。信息传输系统IT对响应时间要求较低,一般是2到6s;过程控制对系统的实时要求较高,一般是0.5s到2s。信息传输系统对实时性的要求是软的,只要大部分时间满足要求就可以了,偶尔几次不及时响应是没有关系的;过程控制对实时性的要求是硬的,因为它常常涉及安全,必须在任何时间都及时响应,不允许有任何不确定性。显然过程控制的实时性要求高得多;过程控制通信将分散的节点接入系统时常采用广播方式和多组方式;信息传输系统通信时一个自主系统和另一个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式[注3,4]
。
因此,普通的以太网要应用于工业控制系统必须解决实时性和确定性的问题。
(2)以太网的工业可靠性问题
由于以太网的发展是以办公自动化为目标的,设计时它并没有考虑对工业现场环境的适应性。工业现场有一些潜在的突发性情况，如超高或超低的工作温度，大马达或大导体产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。工业以太网如要在车间底层应用必须解决可靠性的问题。
(3)以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆。
(4)以太网不是本质安全系统。
(5)安全性问题。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安全漏洞。
(6)现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题。
上述这些问题中,实时性、确定性及可靠性问题是阻碍以太网长期进入工业控制领域的主要障碍。为了解决这一问题，人们从不同角度提出了许多解决办法。
3.工业以太网技术的发展使其在工业控制领域应用成为可能
过去几年，以太网技术有了许多进步。其中交换式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术中由于CSMA/CD媒介访问方法产生的不确定性问题，它与快速以太网、千兆以太网技术结合，使以太网的实时性、确定性都得到了较大的改善。
3.1交换技术的发展与应用，提高了以太网的确定性，同时有效地分隔冲突域，扩大网络系统的覆盖范围，使以太网大规模的应用于企业控制系统成为可能。
以往,用双绞线连接的以太网通常通过中央HUB相连而具有星形拓扑结构。HUB是一个多端口中继器，它将一个端口接收的数据发送到所有其它端口。如网络规模大，会增加HUB的数量。然而整个网络共享媒介，这就意味着每次都只有一个节点能发送数据。如果节点数目急剧增加，可以用路由器或网桥将网络分成几个不同的冲突域。但路由器和网桥价格昂贵而且通常端口较少。
交换机是一种智能HUB，它能识别并处理所接收的数据的目的地址而仅仅将它发送到目的端口。图1示出了它们的不同。
构建一个带交换机的以太网系统可以实现完全的确定性。但必须注意的有两条：一是网络中的每个装置必须带有自己的交换机；二是交换机工作方式必须是存储转发方式，这样在系统中只有点对点的连接，不会出现碰撞。通过优先权或其它机制来安排数据包在交换器中的发送顺序，系统将是确定的。
图1 HUB与SWITCH的不同
采用交换器的另一好处是将冲突域分割开来，从而扩大了网络系统的覆盖范围。冲突域被定义为在网络工作时可能发生冲突的用中继器连接的网段及其站点的集合。以太网冲突域的限制表现在两个方面，一个是网络直径的限制，一个是对冲突域内网络站点的限制（一般不超过1024个站点）。以太网的直径由循环延时（即间隔时间）和网络的数据传输速率决定。循环延时是固定不变的，它等于发送512bit数据所用时间。循环延时＝（中继器总延时＋传输介质总延时＋MAU总延时＋DTE总延时）×2
< 512位时
数据传输速率越高网络最大直径就越小。标准配置的网络直径往往无法满足实际情况的要求，必须利用网桥、交换器、路由器等网络互联设备来构建较大规模的多冲突域的以太网系统。交换器分隔技术就是其中的一种。
交换式以太网采用全双工传输模式和交换式集线器（交换机）来避免碰撞，每个节点对应于HUB上的一对端口。这样每个节点/端口就创建了自己的碰撞域并与其它碰撞域隔离，传入交换式集线器的数据包只通过与目的站相连的端口进行传送。由于能同时发送和接收，网络的数据吞吐量将是原数据传输速率的两倍，这样网络的性能将只受到发送双方组件性能的限制。
用交换式集线器构建以太网的好处在于:通过冲突域分隔技术，可以有效地把网络通信限制在各冲突域内。可以支持多端口之间的同时通信。可以连接不同速率的以太局域网，保持与低速网的相容性。
由三种不同的工业以太网的拓扑结构：线性拓扑、环形拓扑和树形拓扑。它们的循环时间计算公式如下[12]：
线性拓扑:
环形拓扑：
树形拓扑： ,
其中 是帧间间隙时间，N是设备数，E是交换器层数，为交换器响应时间。帧传送时间：
树形拓扑有着良好的性能，但所需交换器多，同时布线较多，所以采用较少。一般采用线形拓扑或环环形拓扑。
图2 三种拓扑结构[5]
3.2
出现了各大公司支持的一些工业以太网应用标准
底层网络引入工业以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本，以太网向底层网络的延伸是顺理成章的。因此世界著名厂家和集团纷纷支持工业以太网并制订了不同的工业应用标准。
目前，主要有以下一些以太网工业协议 [11]：
·Rockwell Automation、OMRON、Cutler-Hammer等公司支持的由ControlNet
International组织的ETHERNET/IP，IP是指工业协议，它提供Producer/Consumer模型，将ControlNet和DeviceNet的控制和信息协议的应用层移植到TCP。该协议主要用于零件制造业。
·现场总线基金会制定的高速以太网协议HSE，它提供了发布方/定购方、对象等模型，主要用于工程控制领域，受到了Fisher/Rosemount，Foxboro以及Honywell等一些国际著名公司的支持。
·由Scheider Automation公司发布的MODBUS/TCP协议，它将MODBUS协议捆绑在TCP协议上，易于实施，能够实现互联。但不支持基于对象的通信模型，这样一些参数的设置得手工进行。
·受Simense公司支持的由Profibus International组织的Profinet，采用分布式组件对象模型（DCOM），只能由Windows平台支持，需要很大的存储与过程处理开销，不适应于现场设备。
值得一提的是，这些标准的底层是一样的，但应用层不一致，因此目前的以太网产品不能互操作。互操作性是指不同厂商的设备能够通过应用层进行通信的能力，但在工业自动化领域，尚无标准的应用层，各厂商都有自己专用的应用层，因此各厂商的设备虽然可以在物理共存但不能互操作。
为了提高实时性，以太网协议作了一些改进。一种完全基于软件的协议RETHER(Real-Time
ETHERNET)，可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性[1]。它采用的是一种混合操作模式，能减少对网络中非实时数据传输性能的影响；非竞争的容许控制机制和有效的令牌传递方案能防止由于节点故障而引起的令牌丢失。此方法主要着眼于在以太网中提供带宽保证。因为尽管以太网协议规范中有优先权访问仲裁，但这种机制本身不能为一对被仲裁的节点提供带宽保证。
遵守RETHER协议的网络以两种模式运行，即CSMA模式和RETHER模式。在实时对话期间，网络将透明地转换到RETHER模式，实时对话结束后又重新回到CSMA模式。
还有一种以太网协议叫RTCC(Real-Time
Communication Control)，为分布式实时应用提供了良好的基础。它不需要改变现有的硬件设备[2],而是采用两种新颖的机制来分配信道:即命令/响应多路传输和总线表。在10Mbps以太网上的性能实验表明，RTCC有令人满意的确定性。RTCC是加在ETHERNET之上的一层协议，能提供高速、可靠、实时的通信。图3描述了它的结构。
图3 网络模型 我们可以将MAC协议看成两个处理过程：访问仲裁过程和传输控制过程。前者决定节点何时能获取信道发送信息，后者决定此节点发送信息时间的长短。任何硬实时通信协议都应将两种结合起来考虑，然而，研究人员往往只注重了其中的某一方面。
RTCC协议采用了主从命令/响应多路访问传输模式，所有节点在RTCC协议中被分为两类，一类是总线控制器（BC）,另一类是远程终端（RT），BC只有一个，其余都是RT。信息发送的发起和管理都由BC承担。显然，访问仲裁过程和传输控制过程都是由BC来实现的，两个过程的集成与同步，不仅节点的发送时间是确定的，而且节的使用总线的时间也是可控制的。RTCC定义了五种组件：帧结构、消息、总线表、错误控制和流控制、对上层协议的网络服务。
另外一种改进实时性的方法就是流量平衡，它是在UDP或TEP/IP与Ethernet
MAC之间加一个流量平衡器[6]，作为它们之间的接口，它被安装在每一个网络节点上。它在本地节点给予实时数据包以优先权来消除实时信息与非实时信息在本地节点的竞争，同时它还平衡非实时信息以减少与其它节点实时信息之间的冲突。为了保证非实时信息的吞吐量，流量平衡器还能根据网络的负载情况调整数据流产生率。这种方法不需要对现有的标准Ethernet
MAC协议和TCP或UDP/IP任何改动。
除了在协议上的改进外，针对CSMA/CD的回退算法BEB也有一些改进，如二底对数仲裁方法（BLAM）[3]和“Polite”算法[4]。实验证明BLAM在吞吐量、平均响应时间、延迟抖动方面都优于BEB算法(二进制指数回退算法)。“Polite”算法的基本思想是不论什么时候有实时流要使用媒介，所有其它节点都维持一个共同的回退时间，其性能较BEB也有较大的改进。
3.3
以太网传输速度的飞速发展，不仅提高了实时性，而且提高了确定性
对于实时控制系统，实时数据如控制信号的数据量相对来说比较小，1518字节以太网数据帧在传输速度为10Mbps以太网中需1.2ms，在快速以太网中只需120μs，而1Gbps以太网只需12μs。然而随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据将越来越复杂，几个字节数据的传输远不能满足需要，甚至有可能要传输整个WEB网页。企业的管理者往往也希望得到更多的实时信息，如生产系统、资源规划系统、出勤记录、劳动报告、物资跟踪、维修管理系统、质量信息系统、决策支持系统和产品数据等。因此，网络的高速性是工业控制所面临的一大挑战。
近几年，以太网的传输速度有了很大的飞越。从最初的10Mb/S发展到现在的千兆以太网，而且万兆以太网也正在加紧研制当中。因此，随着以太网传输速度的不断提高，
再加上相应的优先权控制（实时数据享有高的优先权），以太网将能满足大部分控制系统对实时性的要求。
在通信量不变的前提下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻实际上也就意味着确定性的提高，因为实验表明，在网络负荷不超过36%的情况下，以太网发生碰撞的可能性极小。
就目前的情况来看，以太网的发展思路应是无限带宽和有限负荷，即随着技术的发展，以太网的传输带宽可达10Gbps甚至更高，配合多模光纤技术和频分复用技术，传输带宽可以进一步增加，而在一段时间内传输负荷的增加则相对缓慢，这样以太网就可以完全满足带宽要求，维持整个网络通讯负荷较低，保持一个可接受的传输迟滞。
4.结束语
综上所述，随着以太网速度的不断加快及在确定性、实时性方面性能的不断改善，以太网毫无疑问将在工业控制网络及智能建筑的弱电系统中扮演越来越重要的角色，它提供了一种实用的高性能的解决方案。这一点可能会对BACnet技术和LonWork技术的发展产生影响。但是，由于目前发展的工业以太网在会话和应用层尚不可互操作，因而在短期内不会出现革命性的变化，对于已经进入市场的FCS系统而言，不可能在短期内被以太网取代而将出现两种系统并存的现象。
参考文献
【1】
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【2】 Wang Zhi-Ping,Xiong Guang-Ze,Luo Jin,Lai Ming-Zhi
and Wanlei Zhou. "A Hard Real-Time Communication Control
Protocol Based On the Ethernet". http://citeseer.nj.nec.com
[3]范铠."现场总线的发展趋势",自动化仪表,vol.21,2000.2
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http://www.isa.org/journals/intech/feature
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【11】Eric Byres，Shoot-out at the Ethernet corral，ISA：InTech，February
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【12】Erik Vonnahme，Stefan Rüping，Rlrich Rückert，Measurements
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