步入现场控制领域的工业以太网

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步入现场控制领域的工业以太网 [复制链接]

1 引言
    传统上用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。
    2 以太网与工业以太网
    2.1 什么是以太网与工业以太网
    以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以 10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。
    普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。
    2.2 以太网具有的优点
    （1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽；
    （2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界；
    （3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
    （4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；
    （5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
    （6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。
    2.3 工业以太网的优点
    （1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连具有互操作性；
    （2）可实现远程访问，远程诊断；
    （3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等；
    （4）网络速度快，可达千兆甚至更多；
    （5）支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地；
    （6）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，由成熟可靠的系统安全体系；
    （7）可降低投资成本。
    3 以太网进入工业控制领域的可能性
    对于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，可将发生数据冲突的概率降到最低。此外，如Hirschmann公司已开发出一系列加固的、适合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器件，如导轨式收发器、集线器、切换器、连接件等；Woodhead Connectivity公司推出保护等级为IP67的RJ-45连接器件，这些都给以太网进入实时控制领域创造了条件。正因为如此，ARC（Automation Research Company）预测今后Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。 VDC （Venture Development Corp.）在1999年3月19日发布的调查报告中预测，在工业控制应用领域，以太网的世界市场份额将由1998年的8.4%跃升为2003年的22%，是各种总线中升幅最大的。
    同时，目前世界上已有一些国际组织从事推动以太网进入控制领域的工作，如IEEE（美国电气和电子工程师协会）正在着手制订现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。IAONO（工业自动化开放网络联盟）最近与ODVA和IDA集团就共同推进Ethernet和TCP/IP达成共识。ODVA（DeviceNet供应商协会）于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。FF（现场总线基金会）于 2000年3月29日公布了高速以太网（100Mb/s）的最终技术规范（FSI1.0）。工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group 等单位合作，开展工业以太网关键技术的研究。目前1000Mbps以太网的发展已进入实用阶段，但其价格还比较昂贵。由以上分析可知，以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的必然发展趋势。
    4 工业以太网进展现状
    4.1 在应用层中的进展
    （1） 封装
    众所周知，以太网自身只提供一系列的物理介质定义和一个共享的构架。构架包括物理介质、帧格式和LAN设备数据的寻址格式，即它只提供物理层和数据链路层。而Ethernet、TCP/IP则包含IP协议（层三）、TCP或UDP协议（层四），当以太网用于信息技术时，第七层含有HTTP（超级文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）、SMTP（简单电子邮件传送协议）和Telnet（远程登录）等。但当它用于工业控制时，体现在第七层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。对这些不同的概念进行组装称为“封装”（Encapsulation）。 TCP/IP支持基于异种操作系统的异种网络间的互联，它是真正的开放系统通信协议，已成为目前国际上进行异种网络互联的事实上的标准。
    “封装”是将报文帧嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA开发的Ethernet/IP、FF开发的HSE（高速以太网）、Schneider Electric开发的Modbus TCP/IP。所有这些协议数据在发送到以太网以前，现场总线报文基本上没有什么变化并作为“用户数据”嵌入到TCP/IP帧内，很容易向下兼容到基于以上总线的协议。Rockwell Automation和ODVA 推出的Ethernet/IP，应用了压缩的ControlNet和DeviceNet协议的 CIP（Control and Information Protocol，控制和信息协议）,CIP通过“隐性”和“显性”信息提供用于存取数据和控制设备的宽范围的服务。
    在发送CIP数据包以前必须对其进行封装，CIP数据包给定一个报文首部（header），该首部的内容取决于所请求的服务属性。通过以太网连接的CIP 数据包包括一个专用的以太网首部、一个IP首部、一个TCP首部和一个封装首部。封装首部包含的字段有控制命令、格式、状态信息和同步数据等，这允许 CIP数据能通过TCP或UDP传送并确保在接收方进行解码。Schneider Electric推出的“透明工厂”，其核心是Ethernet和 TCP/IP，封装有Modbus协议的Modbus TCP/IP的模块应用于Quantum PLC。Modbus TCP已成为半导体工业的标准 EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP（用户数据报文协议，一个被认为优于TCP的传输协议，其首部比TCP首部短而简单，只需 8个字节，而TCP为长度可变的40个字节）的一个最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber协议，为IEC61158现场总线国际标准的类型5。另一种解决方案是在现场总线的上层运行或封装有TCP/IP。Interbus就是这种解决方案，它的以太网策略是将TCP/IP报文分割为若干个小型数据包并封装在Interbus的参数通道进行传输，其总和帧协议仍保持不变。这些被分割的数据包将在接收方重新装配从而恢复为原来的 TCP/IP报文。封装方案的缺点是协议的效率低，以太网的首部比用户数据大得多，从而大幅度地增加开销，因此封装方案只适用于发送大容量的数据信息。
    （2） 代理服务器
    代理服务器（Proxy）类似于对2个不同通信协议进行转换的网关（Gate-way），但其功能要比后者强得多。代理服务器的主要目标是将标准现场总线网络集成到工业以太网网络，其主要优点是现有的现场总线设备在今后仍能长期使用，从而保护用户的投资。支持这种观点的是由Profibus国际组织发布的 Profinet，它包含两个概念，即开放的、面向对象的运行期（Runtime）概念和独立于制造商的工程概念。运行期概念基于TCP/IP、UDP、 RPC（运程程序调用）和DCOM，并对这些基本机制进行加强和优化，因而它适合于高实时性能要求的应用领域。工程概念包括建立工程对象模型，它不仅使用户能通过不同制造商的组态工具进行开发，还可以采用分面（Facet）的方法定义制造商和应用专用的扩展功能，因此支持在单个工厂范围集成不同制造商的产品。
    （3）实时通信系统  
    IDA（Interface for Distributed Automation，用于分布式自动化的接口）采用美国California公司开发的位于第四层的NDDS实时通信系统，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供宽范围强有力的应用服务。IDA的另一个重要特性是基于Web的设备管理。所有现场设备均有其本身的Web页面，包括组态、操作和诊断参数，用户可通过标准的浏览器进行访问。基于XML的设备描述简化了系统的组态，并支持设备的互操作性和互换性。IDA位于工业以太网的第七层，它还定义从第四层到第七层和应用接口（API）之间的通信，甚至还包括应用程序的标准编程接口，IDA集团在2001年的德国汉诺威博览会上公布了其技术规范。
    4.2 嵌入以太网的I/O
    早在1998年，Foxboro公司就成功地将其Micro-I/A自动化系统中的以太网I/O用于德国Bayer AG公司的氯碱分厂，以太网将所有现场设备、控制器和PC机工作站集成为一个高可靠、低成本的实时控制的信息网络。近年来，一些公司已推出不少以太网I/O产品，举例如下：
    （1）Opto 22从1998年第四季度起开始提供以太网   I/O产品，并不断扩展和改进其产品，如开发符合802.11和802.11b的无线电访问以太网产品和用于管理的SNMP以太网产品；
    （2）National Instruments的Field Point I/O能提供现场设备到以太网的链接；
    （3）SixNet提供嵌入以太网芯片的I/O模块；
    （4）Optimation（Hutsrille, Ala）发布内装以太网的I/O新产品；
    （5）Automation direct.com和Omron Electric联合宣布的以太网I/O新产品已面市；
    （6）GE Fanuc Automation在2000年的美国国家周上宣告其所有的自动化产品均支持与以太网的链接；
    （7）Zonework（Temecala, Calif）推出其第一套产品，声称是使传统的自动化控制器能访问以太网的基础结构；
    （8）Action公司的子公司Busware公布以太网的E系列I/O模块；
    （9）现在已有嵌入以太网芯片的智能现场总线设备问世，如Schneider Electric的Altivar 58变频器，不仅能连接到本公司的 PLC系列，亦能连接到内装有Web服务器的第三方控制器。通过该控制器，还可远程存取Altivar 58变频器的各种数据。
    4.3 网络就是控制器  
    德国Jetter AG（Ludwisburg, Germany）最近发布的Jetweb自动化系统立意新颖，它是基于100Mbps以太网的分布式智能控制系统，宣称“网络就是控制器”的观点。
    其特点是：
    （1）类似Internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结；
    （2）对用户来说，只有一组数据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演真正服务器的作用；
    （3）从传感器到工厂管理层，只有一条以太网总线进行直接通信；
    （4）可连接到Internet，实现整个工厂全球化联网；
    （5）以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是连接现场设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来。
    4.4 工业以太网的发展前景
    Siemens Energy & Automation的网络产品经理Horst Kohlbert说：“嵌入有以太网的现场设备，以及嵌入的 Internet服务器不久都将成为现实”。这个预言提示工业以太网即将进入现场控制级。但从目前的趋势来看，已有的现场总线仍将继续存在，不太可能退出历史舞台。在现场级，工业以太网能占领一定的市场，但它是否能作为实时控制通信的单一标准，一时难作定论，最有可能的是发展一种混合式控制系统。此外，并非每种现场总线都将被工业以太网总线所替代，如AS-i、CAN，这两种现场总线就应用于二位I/O传感器/执行器而言，无疑是最佳的（AS-i传输4位数据，且总线可带电；CAN最多传输8个字节），还有一些专用总线，如SERCOS（用于数控，控制运动轴，为IEC61491国际标准）、 Instabus（用于楼宇），都有其专门的应用领域，均不适宜于工业以太网。另外，易燃、易爆（如化工、制药），以及环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合，也不适宜于应用工业以太网。
    4.5 工业以太网在我国的发展趋势
    由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。
    目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备，其研究目标是:攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。
    这几年来，我国在攻克以太网实时性、总线供电和远距离传输等一系列难题方面已经取得了很大的成果。
    但是，以太网用于工业控制目前尚处在研究及解决当中，主要有以下问题：
    （1）实时性问题；
    （2）可靠性问题；
    （3）安全性问题；
    （4）供电问题。
    实时性问题是指传统以太网由于采用载波侦听多路访问/冲突检测的通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输会产生传输延滞。可靠性问题是指以太网若采用UDP协议时，它提供不可靠的无连接数据报传输服务，不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。这些问题的解决，使以太网能够满足工业控制领域对传输延时要求，加快使其步入工业控制领域用于现场控制。
    5  结束语
    综上所述，现有的现场总线有它自己的市场定位，将来仍将保持这种状况，或与工业以太网相结合，当然，现场总线也不可能被工业以太网所替代，但工业以太网发展的巨大潜力决不容忽视，其应用领域定将不断地得到扩展，工业以太网系统将成为未来3-5年应用的主流。