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1.2 穩(wěn)定性與可靠性

    Ethernet進入控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設計(如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等)，商用網絡產品不能用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。為解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網絡也能穩(wěn)定工作的問題，許多公司專門開發(fā)和生產了導軌式集線器、交換機等產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。臺灣四零四科技(Moxa Technologies)于2002年6月推出工業(yè)以太網產品――MOXA Ethernet Device Server(工業(yè)以太網設備服務器)，專用于連接具有以太網絡接口的工業(yè)設備(如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等)。 

在新發(fā)布的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規(guī)范進行了定義。在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以提高網絡的抗干擾能力和可靠性。

1.3 工業(yè)以太網協(xié)議

工業(yè)自動化網絡控制系統(tǒng)不僅是完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是借助網絡完成控制功能的自控系統(tǒng)。因此系統(tǒng)需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行一些控制計算與操作功能，由多個網絡節(jié)點協(xié)調完成自控任務。因而它需要在應用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。

對應于ISO/OSI七層通信模型，以太網技術規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在其之上的網絡層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主(已成為以太網之上傳輸層和網絡層“事實上的”標準)，對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有作技術規(guī)定。目前商用計算機設備之間是通過FTP(文件傳送協(xié)議)、Telnet(遠程登錄協(xié)議)、SMTP(簡單郵件傳送協(xié)議)、HTTP(WWW協(xié)議)、SNMP(簡單網絡管理協(xié)議)等應用層協(xié)議進行信息透明訪問的，但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結構等特性不適合于工控領域現(xiàn)場設備之間的實時通信。

為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應用要求，必須在Ethernet TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協(xié)調好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務，形成為廣大工控生產廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協(xié)議，進而形成開放的標準。各現(xiàn)場總線組織都將以太網引入其現(xiàn)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(xiàn)場總線應用層協(xié)議，構成工業(yè)以太網協(xié)議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

(1)    HSE(High Speed Ethernet，高速以太網)

    HSE是現(xiàn)場總線基金會(FF，Fieldbus Foundation)摒棄了原有高速總線H2之后的新作。現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位成實現(xiàn)控制網絡與互聯(lián)網Internet的集成。HSE鏈接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干上并送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)，操作員在主控室可直接使用網絡瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況，現(xiàn)場設備也可以從網絡獲得控制信息。

HSE在低四層直接采用Ethernet+TCP/IP，在應用層和用戶層直接采用FF H1的應用層服務和功能塊應用進程規(guī)范，并通過鏈接設備(Linking Device)將FF H1網絡連接到HSE網段上，HSE鏈接設備同時具有網橋和網關的功能，它的網橋功能能用來連接多個H1總線網段，使不同H1網段上的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統(tǒng)的干預。HSE主機可以與所有的鏈接設備和鏈接設備上掛接的H1設備進行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠程的現(xiàn)場設備，并接收來自現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)監(jiān)控和報表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)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(yè)控制要求和Profibus技術特點，提出基于以太網的PROFInet，它主要包含三方面的技術：① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統(tǒng)；② 規(guī)定了Profibus和標準以太網之間的開放、透明通信；③ 提供一個包括設備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(tǒng)模型。

   PROFInet采用標準TCP/IP+以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設備。現(xiàn)有的Profibus網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到PROFInet網絡當中，使整套Profibus設備和協(xié)議能夠原封不動地在PROFInet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設備可通過代理proxy與PROFInet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調用。

(3) Ethernet/IP

   Ethernet/IP網絡采用商業(yè)以太網通信芯片、物理介質和星形拓撲結構，采用以太網交換機實現(xiàn)各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商用產品，Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等3個部分組成，前面兩部分為標準的以太網技術，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性，采用了Control Net和Device Net控制網絡中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現(xiàn)信息的對等傳輸，其控制部分用來實現(xiàn)實時I/O通信，信息部分則用來實現(xiàn)非實時的信息交換。

2． 工業(yè)以太網技術的發(fā)展趨勢與前景

由于以太網具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，它已在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應用于工控現(xiàn)場的趨勢,目前工業(yè)以太網在制造執(zhí)行層已得到廣泛應用，并成為事實上的標準。未來工業(yè)以太網將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。總的來說，工業(yè)以太網技術的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 工業(yè)以太網與現(xiàn)場總線相結合

工業(yè)以太網技術的研究興起于近幾年，而現(xiàn)場總線則已有十幾年的發(fā)展，技術上日漸成熟，在市場上已全面推廣。工業(yè)以太網全面代替現(xiàn)場總線還存在一些問題，需要進一步深入研究基于工業(yè)以太網的全新控制系統(tǒng)體系結構，開發(fā)出基于工業(yè)以太網的系列產品。工業(yè)以太網技術的發(fā)展將與現(xiàn)場總線相結合，具體表現(xiàn)在：

(1) 物理介質采用標準以太網連線，如雙絞線、光纖等；

(2) 使用標準以太網連接設備(如交換機等)，在工業(yè)現(xiàn)場使用工業(yè)以太網交換機；

(3) 采用IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組；

(4) 應用層(甚至是用戶層)采用現(xiàn)場總線的應用層、用戶層協(xié)議；

(5) 兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，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“透明工廠”的概念，即將工廠的商務網、車間的制造網絡和現(xiàn)場級的儀表、設備網絡構成暢通的透明網絡，并與Web功能相結合，與工廠的電子商務、物資供應鏈和ERP等形成整體。

2.2 工業(yè)以太網技術直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信已成大勢所趨

隨著以太網通信速率的提高、全雙工通信、交換技術的發(fā)展，為以太網的通信確定性的解決提供了技術基礎，從而消除了以太網應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信的主要障礙。國際電工委員會IEC正著手起草實時以太網(Real-time Ethernet, RTE)標準，旨在推動以太網技術在工控領域的全面應用。國內，在國家“863”計劃的支持下，許多單位開展EPA(Ethernet for Plant Automation)技術的研究，重點是研究以太網技術應用于工業(yè)控制現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術，通過研究和攻關，取得了以下成果：

(1)    以太網應用于現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術獲得重大突破。

    針對工業(yè)現(xiàn)場設備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，經研究，采用以下技術可解決以太網應用于現(xiàn)場設備間通信所遇到的問題：

①實時通信技術

采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設備層網絡微網段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網通信的實時性。

②總線供電技術

采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現(xiàn)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。

③遠距離傳輸技術

采用網絡分層、控制區(qū)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。

④網絡安全技術

采用控制區(qū)域微網段化，各控制區(qū)域通過具有網絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網絡隔離。

⑤可靠性技術

采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網技術的現(xiàn)場設備可靠性，經實驗室EMC測試，設備可靠性符合工業(yè)現(xiàn)場控制要求。
(2) 起草了EPA國家標準。

以工業(yè)現(xiàn)場設備間通信為目標，以工業(yè)控制工程師為使用對象，基于以太網、無線局域網、藍牙技術+TCP/IP協(xié)議，起草了“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構和通信標準”，并通過了由TC124組織的技術評審。

(3) 開發(fā)基于以太網的現(xiàn)場總線控制設備及相關軟件原型樣機，并在化工生產裝置上成功應用。針對工業(yè)現(xiàn)場控制應用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，開發(fā)出了基于以太網技術的現(xiàn)場控制設備，主要包括：基于以太網的現(xiàn)場設備通信模塊、變送器、執(zhí)行機構、數(shù)據(jù)采集器、軟PLC等成果等。

2.3工業(yè)以太網應用實例

圖中小區(qū)三表抄送網絡作為數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸與交換平臺，承擔著、數(shù)據(jù)信息及其它數(shù)據(jù)業(yè)務信號的匯接和傳輸任務。從物理連接上，這個網絡是一個冗余環(huán)網。冗余切換時間300毫秒，采用某電信技術公司的KIEN 6000-2M，2對多模光口，6個10/100M 自適應RJ45口；24伏直流冗余電源接入，報警輸出；可以靈活的與其他網絡交換機接入。良好的安全特性能夠保證數(shù)據(jù)安全傳輸。根據(jù)光纜的鋪設情況，此種網絡結構為環(huán)狀網絡結構。每個監(jiān)控控制單元到監(jiān)控中心均采用一一對應的設備連接，根據(jù)用戶需要可以采用雙光口連接，這樣就采用了光口冗余備份，在局端監(jiān)控中心到每個監(jiān)控點之間單根纖斷裂時，可自動切換到備用通道實現(xiàn)業(yè)務的不間斷傳輸。雙電源的冗余備份、光口/電口自動故障保報警都顯示了在工控水利場合上也交換機所不能達到的強大網絡優(yōu)勢.

                   圖2  工業(yè)以太網應用實例

2.4小結

以太網可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，所以被普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網已成為現(xiàn)場總線中的主流技術。

目前，在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發(fā)布了基于高速以太網技術的現(xiàn)場總線設備研究項目，其目標是：攻克應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的高速以太網的關鍵技術，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等問題，同時研究開發(fā)相關高速以太網技術的現(xiàn)場設備、網絡化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。

參考文獻

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