10月19日晚參加佛山市政府招待參加第二屆中國（廣東）國際互聯網＋博覽會嘉賓的晚宴上，有幸結識華為廣東省總經理，并了解到華為提供工業(yè)通訊的解決方案，這次博覽會上會展示產品。

10月20日在華為的展臺前，咨詢華為技術人員，希望了解：

1、華為為工業(yè)提供的通訊的設備范圍：是所有的工業(yè)設備？還是部分工業(yè)設備？

2、對應于這些設備，華為的底層通訊都支持哪些協議？

按照我的理解：工業(yè)設備會根據數據傳輸的響應速度、傳輸速率、安全可靠等幾個方面的性能要求，分級提供數據通訊方案。

傳統自動化行業(yè)的工業(yè)總線或者工業(yè)以太網連接的對響應速度、安全可靠性要求高的通訊解決方案（比如煉油廠的自動化設備的通訊方案）；傳統工業(yè)沒有通訊，但在未來智能制造領域會連接的設備（比如采油、物流環(huán)節(jié)，以前有線連接成本高，可借助無線技術聯網）。

我原來以為，華為的通訊解決方案是針對后一種的設備連接。但華為技術人員說華為的解決方案是解決所有的設備的通訊方案，那么問題就來了：

1、無線通訊的響應速度和可靠性是不如以太網的（華為技術人員也認可此觀點）。

2、以太網是不適合對響應速度和可靠性要求非常高的設備的（不確定技術發(fā)展到現在，這個觀點是否還正確，但在前幾年一定是正確的。當以太網發(fā)展到一定程度后，這個可能會成缺）。所以才有了工業(yè)以太網。

3、然后我就問華為技術人員，華為的通訊支持哪些工業(yè)以太網的協議時，然后他們居然不知道有工業(yè)以太網，兩個技術人員都不知道工業(yè)以太網。

所以我想普及一下工業(yè)以太網的概念！

一網到底

開始了解工業(yè)以太網，是因為在為西門子撰寫案例的時候，有一個是普光氣田集輸系統的一網到底的案例，主要介紹了在地域環(huán)境特殊的普光氣田的自動化、信息化的通訊方案中，采用了有線與無線相結合，適用于商業(yè)應用的以太網，和適用于工業(yè)的工業(yè)以太網相融合的骨干網絡。實現了一網到底（工業(yè)、商業(yè)公用一個網絡）。

研究一網到底的概念時，發(fā)現最早（我能找到的資料中）的提出一網到底概念的是2010年SixNet在推動工業(yè)以太網的時候，提出來的一網到底，實現自動化和信息化的無縫集成。

在工業(yè)以太網出現之前，自動化的通訊方式最主要的是利用總線做通訊。但是因為總線需要布線，而隨著互聯網的普及，以太網的網絡也越來越普及。利用網絡實現自動化通訊是一種趨勢，所以很多廠家推出了工業(yè)以太網。借助于工業(yè)以太網實現自動化與信息化的融合，從而實現一網到底。

工業(yè)以太網與以太網的區(qū)別

以太網主要用在商業(yè)環(huán)境，而工業(yè)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(yè)環(huán)境。商業(yè)環(huán)境對信息的傳輸，延時一秒是可以接受的，而某些工業(yè)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，100Mb/s，1000Mb/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(fā)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(guī)定，在一個站點訪問介質前，必須先監(jiān)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(fā)生了沖突。為了減少沖突發(fā)生的幾率，以太網常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)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(yè)環(huán)境和標準的要求，將傳統的以太網用于工業(yè)領域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)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(yè)網絡，如果存在著大量的沖突，就必須多次重發(fā)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(yè)控制系統中，在一個事件發(fā)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(yè)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(fā)生沖突時重發(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(yè)設計的，但應用到工業(yè)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(yè)網絡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(fā)生，提高系統的確定性。

2、高速以太網

沖突的發(fā)生與負載有關，負載越大，發(fā)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(qū)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(yè)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(yōu)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(yōu)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(zhí)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(yōu)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(yè)以太網典型協議

典型的工業(yè)以太網包括4種協議：HSE、ModbusTCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

HSE

基金會現場總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱HSE(HighSpeedEthernet)。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

ModbusTCP/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ModbusTCP/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(yè)應用需求，德國西門子于2001年發(fā)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(jié)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(yè)環(huán)境應用的協議體系。它是由ODVA(OpenDevicenetVendorsAsso-cation)和ControlNetInternational兩大工業(yè)組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet一樣，它們都是基于CIP(ControlandInformationProto-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(tài)、參數設置、診斷等)的有效傳輸。

未來提供工業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)以太網的性能？

實現了前面兩條，我認為工業(yè)骨干網才可能被工業(yè)企業(yè)接受。