工業以太網技術及改進方案
關鍵詞：工業以太網;　確定性;　可靠性;　應用層協議
1 引言
　　新型的工業計算機網絡如新型集散控制系統（DCS）、現場總線（Fieldbus ）、工業以太網（Industrial Ethernet）以及計算機集成制造（CIMS）的出現，深刻地影響著自動化技術的發展。對于現場總線來說，由于各大公司的利益原因，現場總線的國際標準一直未能統一，真正實現開放性遠未達到。隨著技術的發展，企業要求工業網絡從現場控制層到管理層實現全面的信息集成，并提供一個開放的基礎構架，用戶也希望不同廠家的產品能按同一種總線標準直接互連、互用和互可操作，這時傳統以太網逐漸進入了控制領域，雖然現在仍然還沒有達到統一的階段。
2 工業控制領域引入以太網的原因
　　Ethernet作為一種成功的網絡技術,在辦公自動化和工業界獲得了廣泛地應用。因為Ethernet具有成本低、穩定和可靠等諸多優點,已經成為最受歡迎的通信網絡之一。然而, 由于Ethernet 的MAC 層協議是CSMA/ CD ,具有排隊延遲不確定的缺陷,無法保證確定的排隊延遲,使之無法在工業控制中得到有效地使用。
　　隨IT技術的發展 Ethernet 的發展也取得了本質性的飛躍,先后產生高速Ethernet 和千兆Ethernet 產品和國際標準,以及即將出現的十千兆Ethernet 產品和國際標準。針對排隊延遲不確定性,Ethernet 又增加了雙工通信技術、交換技術、信息優先級等來提高實時性。同時又改進了容錯技術。Ethernet 的新變化,已經引起工業通信系統供應商和用戶的高度重視,在工業控制領域中，隨著控制系統規模的不斷增大，被控對象、測控裝置等物理設備地域分散性也越來越明顯，集中控制系統已經不能滿足要求。集散控制系統和其后出現的現場總線控制系統就是順應這一趨勢發展起來的技術。但是，1999年現場總線技術標準IEC-61158出臺，8種現場總線都成為IEC的現場總線技術標準，其實質是沒有真正統一的通信標準。因此，世界各大工控廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問題。以太網的應用廣泛，價格低廉、多種傳輸介質可選、高速度、易于組網應用等優點，于是成為首選的目標。
　　首先，基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式通信網絡，不同廠商的設備很容易互聯。這種特性非常適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作等問題．
　　其次，低成本、易于組網是以太網的優勢。以太網網卡價格低廉，以太網與計算機、服務器等接口十分方便。
　　第三，以太網具有相當高的數據傳輸速率，可以提供足夠的帶寬。而且以太網資源共享能力強，利用以太網作現場總線，很容易將I/O數據連接到信息系統中，數據很容易以實時方式與信息系統上的資源、應用軟件和數據庫共享。
　　第四，以太網易與Internet連接。任何地方都可以通過Internet對企業生產進行監視控制;以太網方便實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接的優勢可以使電子商務與工業生產控制緊密結合，實現企業管控一體化。
3 以太網應用作現場總存在的主要問題
　　3.1 傳輸的實時性和確定性
　　以太網采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD）以及二進制指數退避算法（BEB），其實質是一種非確定性的網絡系統。因此對于響應時間要求嚴格的控制過程會存在產生沖突的可能性，造成響應時間不確定，使信息不能按要求正常傳遞，無法滿足工業控制網絡所要求的數據傳輸的實時性和確定性。以太網的不確定性是影響以太網長期無法直接進入過程控制領域的重要原因之一
　　3.2 工業可靠性
　　安裝在工業現場的設備應該具有高可靠性，即能夠耐沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及具有較好的電磁兼容性。而傳統的以太網主要應用于辦公自動化領域，沒有考慮工業現場環境的適應性需要。其所用插接件、集線器、交換機和電纜等都是為辦公室應用而設計的，抗干擾能力差，不符合工業現場惡劣環境的要求。
　　3.3 缺乏應用于控制領域的應用層協議
　　以太網標準僅僅定義了ISO/OSI參考模型的物理層和數據鏈路層，即使再加上TCP/IP協議也只是提供了網絡層和傳輸層的功能。兩個設備要想正常通信必須使用相同的語言規則，也就是說還必須有統一的應用層協議。目前，商用計算機通信領域采用的應用層協議主要是FTP，Telnet，SMTP，HTTP等。這些協議所規定的數據結構等特性不適合工業控制現場設備之間的實時通信。因此，必須制定統一的適用于控制領域的應用層協議。
4 工業以太網技術的改進方案

圖 1 交換式以太網
　　4.1 通信確定性的改進
　　交換式以太網技術的發展與應用大大地改善了以太網技術中由于CSMA/CD媒介訪問方法產生的不確定性問題，它與快速以太網、千兆以太網等技術相結合，使以太網的實時性、確定性得到了較大的改善。在圖1中，采用以太網交換機，將網絡分成若干網段。以太網交換機具有數據存儲、轉發功能，使各端口之間的輸人輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生碰撞，同時交換機還對網絡上傳輸的數據進行包過濾，使每個網段內節點之間數據的傳輸僅限于本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其他網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。另外，采用全雙工通信技術可以使端口之間的兩對雙絞線（或光纖）分別同時接收和發送數據，不會發生沖突。其次，以太網的通信速率從10 Mb/s,100 Mb/s發展到現在的1 000 Mb/s,10 Gb/s，在數據吞吐量相同情況下，通信介質的占用時間大大降低，有效地降低了網絡碰撞概率。另外，在應用過程中，還可以采用控制網絡通信負荷的方式來降低網絡中信號碰撞沖突的概率。一些廠商開發出一些獨到的技術手段運用到以太網上，采用專門的以太網集線器技術，以集線器作為網絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸的數據包進行優先級設置，使每條信息都包含傳輸優先級等實時參數。這種智能化的集線器還可以通過分配地址空間把內部通訊從外部通訊中分離開來，保持現場控制信息的獨立性。實時現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，保證實時數據不會產生傳輸延滯和線路阻塞。在以太網的協議中加入實時功能，通過底層協議的集成，確保了以太網的確定性。
　　4.2 通信可靠性的改進
　　為了適應工業現場惡劣環境的要求，一些廠家已經推出了工業級的以太網設備，用以提高以太網的可靠性。在實際應用中，主干網絡可采用光纖傳輸，現場設備的連接可采用屏蔽雙絞線。對于重要的網段和節點的通信器件采用冗余配置和自動無擾切換，在可能的情況下配置一個實時網絡監控軟件，不斷監視整個網絡的通信狀況以及每一個節點的軟硬件工作情況，一旦發現異常，應能夠迅速將故障節點隔離開來，并做出相應報警。所有這些手段都可以有效地提高以太網通信的可靠性和穩定性。

圖2 交換環冗余
　　4.3 主流應用層協議-工業以太網協議
　　由于商用計算機普遍采用的應用層協議不能適應工業過程控制領域現場設備之間的實時通信，所以必須在以太網和TCP/IP協議的基礎上，建立完整有效的通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協調好工業現場控制系統中實時與非實時信息的傳輸，形成被廣泛接受的應用層協議，也就是所謂的工業以太網協議。目前已經制定的工業以太網協議有HSE EtherNet/IP, ProfiNet, MODBUS/TCP等。
　　HSE是基金會現場總線FF于2000年發布的工業Ethernet規范，是以太網協議IEEE802.3,TCP/IP協議族和FF H1的結合體。FF現場總線基金會將HSE定位于實現控制網絡與Internet的集成。由HSE連接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干網上，這些信息可以通過互連網送到主控室，并進一步送到企業的EPP和管理系統。操作員可以在主控室直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況，現場設備也可以通過網絡獲得控制信息。
　　EtherNet/IP是美國羅克韋爾公司于2000年發布的工業Ethernet規范，它很好地采用了當前應用廣泛的以太網通信芯片以及物理媒體。IP代表Industrial Protocol,以此來與普通的以太網進行區分。它是將傳統的以太網應用于工業現場層的一種有效的方法，允許工業現場設備交換實時性強的數據。EtherNet/IP模型由IEEE802. 3標準的物理層和數據鏈路層、以太網TCP/IP協議和控制與信息協議CIP三部分組成。CIP是一個端到端的面向對象并提供了工業設備和高級設備之間的連接的協議，CIP有兩個主要目的，一是傳輸同1/O設備相聯系的面向控制的數據，二是傳輸其它同被控系統相關的信息，如組態、參數設置和診斷等。CIP協議規范主要由對象模型、通用對象庫、設備行規、電子數據表、信息管理等組成。

　　ProfiNet是德國西門子公司于2001年發布的工業Ethernet的規范。該規范主要包括三方面的內容:1）基于組件對象模型（COM）的分布式自動化系統;2）規定了ProfiNet現場總線和標準以太網之間開放透明通信;3）提供了一個獨立于制造商，包括設備層和系統層的系統模型。ProfiNet的基礎是組件技術，在ProfiNet中，每一個設備都被看成一個具有COM接口的自動化設備，同類設備都有相同的COM接口。在系統中可以通過調用COM接口來調用設備功能。組件對象模型使不同制造商遵循同一個原則創建的組件之間可以混合使用，簡化了編程。每一個智能設備都有一個標準組件，智能設備的功能通過對組件進行特定的編程來實現。同類設備具有相同的內置組件，對外提供相同的COM接口。為不同廠家的設備之間提供了良好的互換性和互操作性。
　　MODBUS/TCP協議是法國施奈德公司1999年公布的協議，以一種非常簡單的方式將MODBUS幀嵌入到TCP幀中。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，并且利用網絡瀏覽器就可以查看企業網內部的設備運行情況。施耐德公司已經為MODBUS注冊了502端口，這樣就可以將實時數據嵌人到網頁中，通過在設備中嵌人Web服務器，就可以將Web瀏覽器作為設備的操作終端。
　　我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準EPA在國際標準化工作中取得了重大突破，已通過IEC/SC65C會員國家的投票被IEC發布為IEC/PAS 62409標準化文件作為第10類型列入實時以太網國際標準IEC 61784-2 并將收錄為現場總線國際標準IEC 61158第四版，成為中國第一個被國際標準化組織接收和發布的工業自動化標準。
5 工業以太網的前景
　　以太網隨著技術的成熟，交換技術的應用，高速以太網的發展等在工業自動化領域上正迅速增長，幾乎所有的現場總線系統最終可以都連接到以太網。隨著集成電路的發展，高檔的微處理器作為I/O處理器和控制器核心的條件逐漸成熟，而在控制器上運行的實時嵌入式操作系統使控制器易于實現TCP/IP協議，以太網絡更易于接近現場。工業以太網已經成為控制系統網絡發展的主要方向，具有很大的發展潛力。過程控制工業和自動化工業,從嵌入式系統到現場總線控制系統,都認識到了以太網和TCP/IP 的重要性,以太網和TCP/ IP 作為世界上最為廣泛應用的網絡協議,它將成為過程級和控制級的主要傳輸技術。帶TCP/ IP 協議的標準的以太網接口現在已經在智能設備和I/ O 模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統進行直接地、無縫地連接,而無需任何專用設備。因此可以說,工業以太網在工業通訊網絡中的使用將構建從底層的現場設備到先進與優化控制層、企業管理決策層的綜合自動化網絡平臺,從而可以消除企業內部的各種自動化孤島。以太網作為21 世紀未來工業網絡的首選,它將在控制和現場設備級成為標準的高速工業網絡，有著廣闊的應用和發展前景。
6 結語
　　工業以太網以其自身的優勢必然會有很好的應用前景，我們應該充分利用信息網絡的已有的成熟技術和可用的新技術來改善工業以太網的性能，加快工業以太網的研究和應用。
　　本文創新點:詳細論述了工業以太網的優點和存在問題，論述了確定性，可靠性的改進方案，并分析了主流應用層協議。