工業以太網的現狀與發展

一 當前工業以太網技術的現狀與發展

　　所謂工業以太網，通常來說是指技術上與商用以太網(即IEEE802.3標準)兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性等方面能知足工業現場的須要。
　　隨着互聯網技術的發展與普及推廣，Ethernet技術也獲得了迅速的發展，Ethernet傳輸速率的提升和Ethernet交換技術的發展，給解 決Ethernet通訊的非肯定性問題帶來了但願，並使Ethernet全面應用於工業控制領域成爲可能。
　　當前工業以太網技術的發展將體如今如下幾個方面：

1. 通訊肯定性與實時性

　 　工業控制網絡不一樣於普通數據網絡的最大特色在於它必須知足控制做用對實時性的要求。實時控制每每要求對某些變量的數據準肯定時刷新。因爲以太網採用帶衝 突檢測的載波監聽多路訪問的媒體訪問控制方式，所以一條總線上掛接的多個節點採用平等競爭的方式爭用總線，節點要求發送數據時，先監聽總線是否空閒，若是 空閒就發送數據，若是總線忙就只能繼續監聽，等總線空閒後才能發送數據。即使如此，也還會出現幾個節點同時發送而發生衝突的可能性，所以傳統以太網技術難 以知足控制系統要求準肯定時通訊的實時性要求，一直被視爲非肯定性的網絡。
　　然而，因爲快速以太網與交換式以太網技術的發展，給解決以太網的非肯定性問題帶來了新的契機，使這一應用成爲可能。
　　首先，Ethernet的通訊速率從10M、100M到現在的1000M、10G，在數據吞吐量相同的狀況下，通訊速率的提升意味着網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減少，即網絡碰撞機率大大降低。
　　其次，採用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分爲若干個網段。Ethernet交換機因爲具備數據存儲、轉發的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀 可以獲得緩衝，碰撞再也不發生；同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行包過濾，使每一個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需通過主幹網，也不 佔用其餘網段的帶寬，從而下降了全部網段和主幹網的網絡負荷。
　　再次，全雙工通訊又使得端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發送報文幀，也不會發生衝突。
所以，採用交換式集線器和全雙工通訊，可以使網絡上的衝突域不復存在(全雙工通訊)，或碰撞機率大大下降(半雙工)，並由此使Ethernet通訊肯定性和實時性獲得大大提升。

2. 穩定性與可靠性

　　Ethernet進入工業控制領域的另外一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是爲OA領域設計的，抗干擾性能較差，不符合工業現場惡劣環境的要求，也不具有本安特性和向現場儀表供電的性能。
　　隨着網絡技術的發展，上述問題正在迅速獲得解決。爲了解決在不間斷的工業應用領域，在極端條件下網絡也能穩定工做的問題，美國Synergetic微 系統公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，並有冗餘電源供電，接插件採用牢固的DB-9結構。美國 NETSilicon公司研製的工業Ethernet通訊接口芯片，每片價格已降至10～15美圓，與各類現場總線接口芯片相比，具備很大的價格優點。最 近剛剛發佈的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規範也進行了定義。
　　此外，在實際應用中，主幹網可採用光纖傳輸，現場設備的鏈接則可採用屏蔽雙絞線，對於重要的網段還可採用冗餘網絡技術，以此提升網絡的抗干擾能力和可靠性。

3. 工業以太網協議

　 　因爲工業自動化網絡控制系統不僅僅是一個完成數據傳輸的通訊系統，並且仍是一個藉助網絡完成控制功能的自控系統。它除了完成數據傳輸以外，每每還須要依 靠所傳輸的數據和指令，執行某些控制計算與操做功能，由多個網絡節點協調完成自控任務。於是它須要在應用、用戶等高層協議與規範上知足開放系統的要求，滿 足互操做條件。
如前所述，對應於ISO/OSI七層通訊模型，以太網技術規範只映射爲其中的物理層和數據鏈路層；而在其之上的網絡層和傳輸層協議，目前以TCP/IP協 議爲主(已成爲以太網之上傳輸層和網絡層「事實上的」標準)。而對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有做技術規定。目前商用計算機設備之間是經過 FTP(文件傳送協議)、Telnet(遠程登陸協議)、SMTP(簡單郵件傳送協議)、HTTP(WWW協議)、SNMP(簡單網絡管理協議)等應用層 協議進行互信息透明訪問的，它們現在在互聯網上發揮了很是重要的做用。但這些協議所定義的數據結構等特性不適合應用於工業過程控制領域現場設備之間的實時 通訊。
　　爲知足工業現場控制系統的應用要求，必須在Ethernet+TCP/IP協議之上，創建完整的、有效的通訊服務模型，制定有效的實時通訊服務機制， 協調好工業現場控制系統中實時和非實時信息的傳輸服務，造成爲廣大工控生產廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協議，進而造成開放的標準。
　　爲此，各現場總線組織紛紛將以太網引入其現場總線體系中的高速部分，利用以太網和TCP/IP技術，以及原有的低速現場總線應用層協議，從而構成了所謂的工業以太網協議，如HSE、PROFInet、EtherNet/IP等。
　　(1)HSE(High Speed Ethernet，高速以太網)
　　HSE是現場總線基金會在摒棄了原有高速總線H2以後的新做。FF現場總線基金會明確將HSE定位於實現控制網絡與互聯網Internet的集成。由 HSE連接設備將H1網段信息傳送到以太網的主幹上並進一步送到企業的ERP和管理系統。操做員在主控室能夠直接使用網絡瀏覽器查看現場運行狀況。現場設 備一樣也能夠從網絡得到控制信息。
　　HSE在低四層直接採用以太網+TCP/IP，在應用層和用戶層直接採用FF H1的應用層服務和功能塊應用進程規範，並經過連接設備(Linking Device)將FF H1網絡鏈接到HSE網段上，HSE連接設備同時也具備網橋和網關的功能，它的網橋功能能用來鏈接多個H1總線網段，使不一樣H1網段上的H1設備之間可以 進行對等通訊而無需主機系統的干預。HSE主機能夠與全部的連接設備和連接設備上掛接的H1設備進行通訊，使操做數據能傳送到遠程的現場設備，並接收來自 現場設備的數據信息，實現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能塊或者「柔性功能塊」(FFB)中。
　　(2)PROFInet
　　Profibus國際組織針對工業控制要求和Profibus技術特色，提出了基於以太網的PROFInet，它主要包含3方面的技術：(1)基於通 用對象模型(COM)的分佈式自動化系統；(2)規定了Profibus和標準以太網之間的開放、透明通訊；(3)提供了一個包括設備層和系統層、獨立於 製造商的系統模型。
　　PROFInet採用標準TCP/IP+以太網做爲鏈接介質，採用標準TCP/IP協議加上應用層的RPC／DCOM來完成節點之間的通訊和網絡尋 址。它能夠同時掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場設備。現有的Profibus網段能夠經過一個代理設備(proxy)鏈接到 PROFInet網絡當中，使整套Profibus設備和協議可以原封不動地在PROFInet中使用。傳統的Profibus設備可經過代理proxy 與PROFInet上面的COM對象進行通訊，並經過OLE自動化接口實現COM對象之間的調用。
　　(3)Ethernet/IP
　　Ethernet/IP(以太網工業協議)是主推ControlNet現場總線的Rockwell公司對以太網進入自動化領域作出的積極響應。 EtherNet/IP網絡採用商業以太網通訊芯片、物理介質和星形拓撲結構，採用以太網交換機實現各設備間的點對點鏈接，能同時支持10Mb/s和 100Mb/s以太網商用產品，Ethernet/IP的協議由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和控制與信息協議CIP(Control Information Protocol)等3個部分組成，前面兩部分爲標準的以太網技術，其特點就是被稱做控制和信息協議的CIP部分。Ethernet/IP爲了提升設備間 的互操做性，採用了ControlNet和DeviceNet控制網絡中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通訊，一方面實現信息的對等傳輸，其控 制部分用來實現實時I/O通訊，信息部分則用來實現非實時的信息交換。

二 工業以太網技術的發展趨勢與前景

　 　因爲以太網具備應用普遍、價格低廉、通訊速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優勢，目前它已經在工業企業綜合自動化系統中的資源管理層、執行制 造層獲得了普遍應用，並呈現向下延伸直接應用於工業控制現場的趨勢。從目前國際、國內工業以太網技術的發展來看，目前工業以太網在製造執行層已獲得普遍應 用，併成爲事實上的標準。將來工業以太網將在工業企業綜合自動化系統中的現場設備之間的互連和信息集成中發揮愈來愈重要的做用。
　　總的來講，工業以太網技術的發展趨勢將體如今如下幾個方面：

1. 工業以太網與現場總線相結合

　 　工業以太網技術的研究還只是近幾年才引發國內外工控專家的關注。而現場總線通過10幾年的發展，在技術上日漸成熟，在市場上也開始了全面推廣，而且造成 了必定的市場。就目前而言，全面代替現場總線還存在一些問題，須要進步深刻研究基於工業以太網的全新控制系統體系結構，開發出基於工業以太網的系列產品。 所以，近一段時間內，工業以太網技術的發展將與現場總線相結合，具體表如今：
(1)物理介質採用標準以太網連線，如雙絞線、光纖等；
(2)使用標準以太網鏈接設備(如交換機等)，在工業現場使用工業以太網交換機；
(3)採用IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組；
(4)應用層(甚至是用戶層)採用現場總線的應用層、用戶層協議；
(5)兼容現有成熟的傳統控制系統，如DCS、PLC等；
　　這方面比較典型的應用有如法國施耐德公司推出的基於嵌入式Web的「透明工廠」系統中以太網、嵌入式Web等商用互聯網技術應用於信息管理層、監控層、現場設備層。國內如浙大中控的WebField ECS系列控制系統。

2. 工業以太網技術直接應用於工業現場設備間的通訊已成大勢所趨

　　隨着以太網通訊速率的提升、全雙工通訊、交換技術的發展，爲以太網的通訊肯定性的解決提供了技術基礎，從而消除了以太網直接應用於工業現場設備間通訊的主要障礙，爲以太網直接應用於工業現場設備間通訊提供了技術可能。
　　爲此，國際電工委員會IEC正着手起草實時以太網(Real-time Ethernet, RTE)標準，旨在推進以太網技術在工業控制領域的全面應用。
　　針對這種形勢，以浙江大學、浙大中控、中科院瀋陽自動化研究所、清華大學、大連理工大學、重慶郵電學院等單位，在國家「863」計劃的支持下，開展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技術的研究，重點是研究以太網技術應用於工業控制現場設備間通訊的關鍵技術，經過研究和攻關，取得了如下成果：
　　(1)以太網應用於現場設備間通訊的關鍵技術得到重大突破
　　針對工業現場設備間通訊具備實時性強、數據信息短、較強的週期性等特色和要求，通過認真細緻的調研和分析，採用如下技術基本解決了以太網應用於現場設備間通訊的關鍵技術：
　　(a)實時通訊技術
　　其中採用以太網交換技術、全雙工通訊、流量控制等技術，以及肯定性數據通訊調度控制策略、簡化通訊棧軟件層次、現場設備層網絡微網段化等針對工業過程控制的通訊實時性措施，解決了以太網通訊的實時性。
　　(b)總線供電技術
　　採用直流電源耦合、電源冗餘管理等技術，設計了能實現網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。
　　(c)遠距離傳輸技術
　　採用網絡分層、控制區域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術解決以太網的遠距離傳輸問題。
　　(d)網絡安全技術
　　採用控制區域微網段化，各控制區域經過具備網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統主幹相連，實現各控制區域與其餘區域之間的邏輯上的網絡隔離。
　　(e)可靠性技術
　　採用分散結構化設計、EMC設計、冗餘、自診斷等可靠性設計技術等，提升基於以太網技術的現場設備可靠性，經實驗室EMC測試，設備可靠性符合工業現場控制要求。
　　(2)起草了EPA國家標準
　　以工業現場設備間通訊爲目標，以工業控制工程師(包括開發和應用)爲使用對象，基於以太網、無線局域網、藍牙技術+TCP/IP協議，起草了"用於工業測量與控制系統的EPA(Ethernet for Plant Automation)系統結構和通訊標準」(草案)，並經過了由TC124組織的技術評審。
　　(3)開發基於以太網的現場總線控制設備及相關軟件原型樣機，並在化工生產裝置上成功應用
　　針對工業現場控制應用的特色，經過採用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，開發出了基於以太網技術的現場控制設備，主要包括：基於以太網的現場設備通訊模塊、變送器、執行機構、數據採集器、軟PLC等成果等。
在此基礎上開發的基於EPA的分佈式網絡控制系統在杭州某化工廠的聯鹼碳化裝置上成功應用，該系統自2003年4月投運一直穩定運行至今。

3. 發展前景

　 　據美國權威調查機構ARC(Auto-mation Research Company)報告指出，從此Ethernet不只繼續壟斷商業計算機網絡通訊和工業控制系統的上層網絡通訊市場，也必將領導將來現場總線的發展， Ethernet和TCP/IP將成爲器件總線和現場總線的基礎協議。美國VDC(Venture Development Corp.)調查報告也指出，Ethernet在工業控制領域中的應用將愈來愈普遍，市場佔有率的增加也愈來愈快，將從2000年11%增長到2005年 23%。

　　　（全文完）

來源：《世界儀表與自動化》