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胡 俊

1  引言

    一般人們將企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)劃分為四層（如圖1所示） :管理信息層（ERP網(wǎng)絡(luò)）、實(shí)時(shí)信息層（SCADA/DCS實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）、過(guò)程控制層（PLC/DCS網(wǎng)絡(luò)）和現(xiàn)場(chǎng)層（Sensor/Actuator網(wǎng)絡(luò)）。廣義的系統(tǒng)集成概念或者叫垂直集成，包括了企業(yè)各層的完全網(wǎng)絡(luò)化,這意味著,所有必要的管理信息和設(shè)備信息，這些過(guò)去只在CEO的電腦上才能看到的信息，在任何一個(gè)制造島和任何一臺(tái)設(shè)備上都可以得到，這就允許企業(yè)的決策可以快速、準(zhǔn)確地在按企業(yè)業(yè)務(wù)流程中應(yīng)該進(jìn)行決策的地方―現(xiàn)場(chǎng)一一制定。

圖1  企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的層次

    今天各種標(biāo)準(zhǔn)化軟件的使用意味著在一個(gè)企業(yè)內(nèi)部可以訪問(wèn)和得到各種信息。開放性主要是通過(guò)各種應(yīng)用之間數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)的。以太網(wǎng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，允許通信沒(méi)有介質(zhì)中斷地跨越所有的層次。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理的全局標(biāo)準(zhǔn)化解決方案可以很方便的得到實(shí)現(xiàn)。

    近年來(lái)，大的工業(yè)項(xiàng)目中以太網(wǎng)被廣泛采用并將網(wǎng)絡(luò)連接一直延伸到現(xiàn)場(chǎng)層。在制造島或標(biāo)準(zhǔn)用戶界面上都提供了對(duì)所有信息的快速訪問(wèn)。這種連續(xù)實(shí)現(xiàn)的解決方案帶來(lái)了所需要的更具動(dòng)力的企業(yè)流程，并大大提高了生產(chǎn)力。

2  標(biāo)準(zhǔn)化是降低成本的鑰匙

    在控制層和實(shí)時(shí)信息層的通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，可以將設(shè)備或工廠劃分成多個(gè)功能單元，基于這些功能單元進(jìn)行開發(fā)和制造。這種模塊化的布局可以縮短測(cè)試過(guò)程，加快系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并允許重復(fù)使用這些單元乃至整個(gè)工程。以太網(wǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)解決方案還降低了接口數(shù)量。另外，在不同總線和網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)要求額外的投資和大量的專有技術(shù)，而通過(guò)采用以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議可以消除對(duì)這一點(diǎn)的要求。

    采用這種標(biāo)準(zhǔn)化解決方案的項(xiàng)目的前期準(zhǔn)備時(shí)間被大大縮短了。這對(duì)于工廠投資者來(lái)說(shuō)不僅帶來(lái)了資本的快速產(chǎn)出，而且大大節(jié)約了工程實(shí)現(xiàn)成本。對(duì)一個(gè)集成系統(tǒng)來(lái)講，系統(tǒng)集成商采用不同的接口將不同制造商的設(shè)備集成在一起。但是只有不依賴于制造商而采用標(biāo)準(zhǔn)化接口的設(shè)備才能適應(yīng)這種需要，并提供更好的解決方案。因此，標(biāo)準(zhǔn)化是降低成本的鑰匙。

3  高可用性和網(wǎng)絡(luò)安全性

    自動(dòng)化系統(tǒng)可以大概分為三個(gè)部分：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制職能和網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)，這塊今天仍然是屬于控制工程師的領(lǐng)地，是自動(dòng)化系統(tǒng)的骨干。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求來(lái)源于自動(dòng)化的過(guò)程對(duì)象和生產(chǎn)設(shè)備本身。因此，在過(guò)程控制級(jí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求包括實(shí)時(shí)性、高可用性、發(fā)生故障時(shí)的快速自動(dòng)重新組態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⑷哂嗪鸵约皩?duì)EMC、溫度和抗震性能的環(huán)境要求。

    以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)本身允許在總線上的數(shù)據(jù)包沖突，因?yàn)樗捎玫氖荂DMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制。但是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過(guò)采用全雙工交換機(jī)消除這種數(shù)據(jù)包沖突，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。交換機(jī)通過(guò)將接收到的數(shù)據(jù)在發(fā)送之前存儲(chǔ)在內(nèi)部緩沖區(qū)內(nèi)非常短的時(shí)間解決了這個(gè)問(wèn)題。現(xiàn)在人們正在研究如何將以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到滿足“硬”實(shí)時(shí)的要求。這一實(shí)時(shí)性要求可通過(guò)將確定的傳輸時(shí)間和時(shí)間同步機(jī)制相結(jié)合加以實(shí)現(xiàn)。目前IEEE WG 1588工作組正在開發(fā)一個(gè)算法以實(shí)現(xiàn)小于一個(gè)微秒的同步精度。按照赫斯曼電子公司基于IEEE1588在他們的交換機(jī)上的測(cè)試結(jié)果，同步的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差累計(jì)小于100ns。它已經(jīng)完全可以滿足“硬”實(shí)時(shí)的要求。

    網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期可用性對(duì)于生產(chǎn)制造來(lái)講是至關(guān)重要的。除了采用良好設(shè)計(jì)和配置的工業(yè)級(jí)設(shè)備以外，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵還包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的冗余。采用封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)和冗余管理可以保證在發(fā)生故障時(shí)的網(wǎng)絡(luò)快速自動(dòng)重新組態(tài)。這種快速自動(dòng)重新組態(tài)不同于采用生成樹/快速生成樹算法的辦公室網(wǎng)絡(luò)冗余。對(duì)于分布式環(huán)形結(jié)構(gòu)的重新組態(tài)時(shí)間要小于500ms才可滿足制造過(guò)程的要求。而生成樹算法超過(guò)30s的重新組態(tài)時(shí)間對(duì)于過(guò)程控制來(lái)講將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)災(zāi)難。

    此外，對(duì)于辦公室網(wǎng)絡(luò)來(lái)講在重負(fù)載情況下短暫地丟失個(gè)別數(shù)據(jù)包是沒(méi)有什么問(wèn)題的。辦公室網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，尤其是那種低價(jià)的設(shè)備，是按成本進(jìn)行優(yōu)化的，而不是按數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩赃M(jìn)行的優(yōu)化。反之，對(duì)于實(shí)時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)，選擇的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須滿足數(shù)據(jù)包的立即傳送而且不丟包，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)重新組態(tài)過(guò)程的要求也是如此。

    隨著與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成，以太網(wǎng)這個(gè)詞也鼓勵(lì)著IT部門介入到控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的選擇。然而在這一點(diǎn)上，過(guò)程自動(dòng)化工程師更能理解他們所需要的特殊要求，因此自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)更應(yīng)該由自動(dòng)化工程師來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是讓位給IT部門。

4  以太網(wǎng)將取代現(xiàn)場(chǎng)總線

    盡管以太網(wǎng)的發(fā)展令人鼓舞，而以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用仍然處在初級(jí)階段。進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)，這對(duì)于其他數(shù)據(jù)通信手段，包括現(xiàn)場(chǎng)總線，也是一樣的。現(xiàn)有的常用現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案還將繼續(xù)存在一段時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)總線專家和以太網(wǎng)專家也將同時(shí)并存。但是，采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的垂直集成將強(qiáng)化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)接口的要求，進(jìn)而促進(jìn)除了測(cè)量值、控制輸出和運(yùn)行狀態(tài)之外的一些擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)，乃至可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)。

    以太網(wǎng)正逐漸滲透到生產(chǎn)領(lǐng)域的過(guò)程控制和現(xiàn)場(chǎng)層，這一發(fā)展趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的。而且可以看到這個(gè)趨勢(shì)有一個(gè)明顯的自我激勵(lì)的動(dòng)力，它基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集成并且逐步取代現(xiàn)場(chǎng)總線―這對(duì)于用戶產(chǎn)生了很大的好處。目前，只有二進(jìn)制傳感器和執(zhí)行器的集成還采用專用的現(xiàn)場(chǎng)總線，如ASI和DeviceNet，它們?cè)偻ㄟ^(guò)接口模塊或主設(shè)備集成到網(wǎng)絡(luò)或本地控制單元。隨著智能傳感器和執(zhí)行器的系統(tǒng)效率的提高，在不遠(yuǎn)的將來(lái)它們也將通過(guò)以太網(wǎng)集成到控制系統(tǒng)中。這樣做的好處在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有層的無(wú)介質(zhì)中斷的訪問(wèn)。這就是為什么TCP/IP已經(jīng)成為大多數(shù)制造商工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案的協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)。

5  開放的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)

    應(yīng)用層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)開放的解決方案是一個(gè)非常關(guān)鍵的先決條件。這將允許更多來(lái)自不同生產(chǎn)商的設(shè)備、控制器和軟件相互無(wú)縫集成。應(yīng)用層的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化將最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各層的全面集成。

    今天，已經(jīng)可以通過(guò)采用來(lái)自于不同生產(chǎn)商的特定系統(tǒng)解決方案實(shí)現(xiàn)垂直集成。以太網(wǎng)和TCP/IP或UDP/IP協(xié)議不僅廣泛用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成，而且一直延伸到工業(yè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)的互聯(lián)，甚至已經(jīng)有智能設(shè)備可以通過(guò)以太網(wǎng)直接實(shí)現(xiàn)集成。但是在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用層存在各種不同的標(biāo)準(zhǔn)，包括EtherNet/IP和CIP sync、Ethernet Powerlink、 EtherCAT、JetSync、Modbus/TCP、PROFInet、SERCOS-III、HSE、Safeethernet等等。這些技術(shù)雖然都是基于以太網(wǎng)的平臺(tái)，即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層支持同樣的技術(shù)，可以互聯(lián)但不能互通。而從用戶的利益出發(fā)，需要一個(gè)統(tǒng)一的開放的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)。

    任何從事現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)通信開發(fā)的人都會(huì)記得在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)不同現(xiàn)場(chǎng)總線之間的“爭(zhēng)執(zhí)”。最終的妥協(xié)表明現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化幾乎包括了所有的不同方案。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)講存在同樣的問(wèn)題，基于一種技術(shù)和一個(gè)通用的全球標(biāo)準(zhǔn)加速工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的機(jī)會(huì)已經(jīng)堵死了。

6  結(jié)語(yǔ)

    綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)正位于現(xiàn)場(chǎng)總線、統(tǒng)一的開放標(biāo)準(zhǔn)和辦公網(wǎng)絡(luò)的交叉火力點(diǎn)。通過(guò)在大項(xiàng)目上快速而又廣泛地實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)，用戶已經(jīng)實(shí)施和建設(shè)全面集成的過(guò)程解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)為工業(yè)應(yīng)用樹立了提高生產(chǎn)率、更具動(dòng)力的企業(yè)過(guò)程、投資的快速回報(bào)以及優(yōu)化和通用的典范。而用戶也越來(lái)越注意到他們的能力和利益是在制造商和系統(tǒng)集成商之上的，并要求和建立網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的開放標(biāo)準(zhǔn)。