工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及改進(jìn)方案
關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng);　確定性;　可靠性;　應(yīng)用層協(xié)議
1 引言
　　新型的工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)如新型集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線（Fieldbus ）、工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）以及計(jì)算機(jī)集成制造（CIMS）的出現(xiàn)，深刻地影響著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。對于現(xiàn)場總線來說，由于各大公司的利益原因，現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)一直未能統(tǒng)一，真正實(shí)現(xiàn)開放性遠(yuǎn)未達(dá)到。隨著技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)要求工業(yè)網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場控制層到管理層實(shí)現(xiàn)全面的信息集成，并提供一個(gè)開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，用戶也希望不同廠家的產(chǎn)品能按同一種總線標(biāo)準(zhǔn)直接互連、互用和互可操作，這時(shí)傳統(tǒng)以太網(wǎng)逐漸進(jìn)入了控制領(lǐng)域，雖然現(xiàn)在仍然還沒有達(dá)到統(tǒng)一的階段。
2 工業(yè)控制領(lǐng)域引入以太網(wǎng)的原因
　　Ethernet作為一種成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),在辦公自動(dòng)化和工業(yè)界獲得了廣泛地應(yīng)用。因?yàn)?SPAN lang=EN-US>Ethernet具有成本低、穩(wěn)定和可靠等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。然而, 由于Ethernet 的MAC 層協(xié)議是CSMA/ CD ,具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷,無法保證確定的排隊(duì)延遲,使之無法在工業(yè)控制中得到有效地使用。
　　隨IT技術(shù)的發(fā)展 Ethernet 的發(fā)展也取得了本質(zhì)性的飛躍,先后產(chǎn)生高速Ethernet 和千兆Ethernet 產(chǎn)品和國際標(biāo)準(zhǔn),以及即將出現(xiàn)的十千兆Ethernet 產(chǎn)品和國際標(biāo)準(zhǔn)。針對排隊(duì)延遲不確定性,Ethernet 又增加了雙工通信技術(shù)、交換技術(shù)、信息優(yōu)先級等來提高實(shí)時(shí)性。同時(shí)又改進(jìn)了容錯(cuò)技術(shù)。Ethernet 的新變化,已經(jīng)引起工業(yè)通信系統(tǒng)供應(yīng)商和用戶的高度重視,在工業(yè)控制領(lǐng)域中，隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，被控對象、測控裝置等物理設(shè)備地域分散性也越來越明顯，集中控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。集散控制系統(tǒng)和其后出現(xiàn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是順應(yīng)這一趨勢發(fā)展起來的技術(shù)。但是，1999年現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC-61158出臺，8種現(xiàn)場總線都成為IEC的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是沒有真正統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)。因此，世界各大工控廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴(kuò)展性和兼容性的問題。以太網(wǎng)的應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉、多種傳輸介質(zhì)可選、高速度、易于組網(wǎng)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，于是成為首選的目標(biāo)。
　　首先，基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作等問題．
　　其次，低成本、易于組網(wǎng)是以太網(wǎng)的優(yōu)勢。以太網(wǎng)網(wǎng)卡價(jià)格低廉，以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等接口十分方便。
　　第三，以太網(wǎng)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以提供足夠的帶寬。而且以太網(wǎng)資源共享能力強(qiáng)，利用以太網(wǎng)作現(xiàn)場總線，很容易將I/O數(shù)據(jù)連接到信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)很容易以實(shí)時(shí)方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫共享。
　　第四，以太網(wǎng)易與Internet連接。任何地方都可以通過Internet對企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)視控制;以太網(wǎng)方便實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接的優(yōu)勢可以使電子商務(wù)與工業(yè)生產(chǎn)控制緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化。
3 以太網(wǎng)應(yīng)用作現(xiàn)場總存在的主要問題
　　3.1 傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性
　　以太網(wǎng)采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB），其實(shí)質(zhì)是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此對于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過程會存在產(chǎn)生沖突的可能性，造成響應(yīng)時(shí)間不確定，使信息不能按要求正常傳遞，無法滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所要求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性。以太網(wǎng)的不確定性是影響以太網(wǎng)長期無法直接進(jìn)入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一
　　3.2 工業(yè)可靠性
　　安裝在工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備應(yīng)該具有高可靠性，即能夠耐沖擊、耐振動(dòng)、耐腐蝕、防塵、防水以及具有較好的電磁兼容性。而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要應(yīng)用于辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。其所用插接件、集線器、交換機(jī)和電纜等都是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，抗干擾能力差，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。
　　3.3 缺乏應(yīng)用于控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議
　　以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了ISO/OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，即使再加上TCP/IP協(xié)議也只是提供了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能。兩個(gè)設(shè)備要想正常通信必須使用相同的語言規(guī)則，也就是說還必須有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議。目前，商用計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域采用的應(yīng)用層協(xié)議主要是FTP，Telnet，SMTP，HTTP等。這些協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合工業(yè)控制現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。因此，必須制定統(tǒng)一的適用于控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。
4 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的改進(jìn)方案

圖 1 交換式以太網(wǎng)
　　4.1 通信確定性的改進(jìn)
　　交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用大大地改善了以太網(wǎng)技術(shù)中由于CSMA/CD媒介訪問方法產(chǎn)生的不確定性問題，它與快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，使以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、確定性得到了較大的改善。在圖1中，采用以太網(wǎng)交換機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)分成若干網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口之間的輸人輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞，同時(shí)交換機(jī)還對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行包過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸僅限于本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。另外，采用全雙工通信技術(shù)可以使端口之間的兩對雙絞線（或光纖）分別同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，不會發(fā)生沖突。其次，以太網(wǎng)的通信速率從10 Mb/s,100 Mb/s發(fā)展到現(xiàn)在的1 000 Mb/s,10 Gb/s，在數(shù)據(jù)吞吐量相同情況下，通信介質(zhì)的占用時(shí)間大大降低，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)碰撞概率。另外，在應(yīng)用過程中，還可以采用控制網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷的方式來降低網(wǎng)絡(luò)中信號碰撞沖突的概率。一些廠商開發(fā)出一些獨(dú)到的技術(shù)手段運(yùn)用到以太網(wǎng)上，采用專門的以太網(wǎng)集線器技術(shù)，以集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實(shí)時(shí)參數(shù)。這種智能化的集線器還可以通過分配地址空間把內(nèi)部通訊從外部通訊中分離開來，保持現(xiàn)場控制信息的獨(dú)立性。實(shí)時(shí)現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能，通過底層協(xié)議的集成，確保了以太網(wǎng)的確定性。
　　4.2 通信可靠性的改進(jìn)
　　為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求，一些廠家已經(jīng)推出了工業(yè)級的以太網(wǎng)設(shè)備，用以提高以太網(wǎng)的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)絡(luò)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接可采用屏蔽雙絞線。對于重要的網(wǎng)段和節(jié)點(diǎn)的通信器件采用冗余配置和自動(dòng)無擾切換，在可能的情況下配置一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，不斷監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信狀況以及每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟硬件工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)能夠迅速將故障節(jié)點(diǎn)隔離開來，并做出相應(yīng)報(bào)警。所有這些手段都可以有效地提高以太網(wǎng)通信的可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 交換環(huán)冗余
　　4.3 主流應(yīng)用層協(xié)議-工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議
　　由于商用計(jì)算機(jī)普遍采用的應(yīng)用層協(xié)議不能適應(yīng)工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信，所以必須在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立完整有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機(jī)制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)信息的傳輸，形成被廣泛接受的應(yīng)用層協(xié)議，也就是所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。目前已經(jīng)制定的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有HSE EtherNet/IP, ProfiNet, MODBUS/TCP等。
　　HSE是基金會現(xiàn)場總線FF于2000年發(fā)布的工業(yè)Ethernet規(guī)范，是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3,TCP/IP協(xié)議族和FF H1的結(jié)合體。FF現(xiàn)場總線基金會將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。由HSE連接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干網(wǎng)上，這些信息可以通過互連網(wǎng)送到主控室，并進(jìn)一步送到企業(yè)的EPP和管理系統(tǒng)。操作員可以在主控室直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運(yùn)行情況，現(xiàn)場設(shè)備也可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得控制信息。
　　EtherNet/IP是美國羅克韋爾公司于2000年發(fā)布的工業(yè)Ethernet規(guī)范，它很好地采用了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)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(wǎng)進(jìn)行區(qū)分。它是將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場層的一種有效的方法，允許工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備交換實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)。EtherNet/IP模型由IEEE802. 3標(biāo)準(zhǔn)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議和控制與信息協(xié)議CIP三部分組成。CIP是一個(gè)端到端的面向?qū)ο蟛⑻峁┝斯�業(yè)設(shè)備和高級設(shè)備之間的連接的協(xié)議，CIP有兩個(gè)主要目的，一是傳輸同1/O設(shè)備相聯(lián)系的面向控制的數(shù)據(jù)，二是傳輸其它同被控系統(tǒng)相關(guān)的信息，如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等。CIP協(xié)議規(guī)范主要由對象模型、通用對象庫、設(shè)備行規(guī)、電子數(shù)據(jù)表、信息管理等組成。

　　ProfiNet是德國西門子公司于2001年發(fā)布的工業(yè)Ethernet的規(guī)范。該規(guī)范主要包括三方面的內(nèi)容:1）基于組件對象模型（COM）的分布式自動(dòng)化系統(tǒng);2）規(guī)定了ProfiNet現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間開放透明通信;3）提供了一個(gè)獨(dú)立于制造商，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。ProfiNet的基礎(chǔ)是組件技術(shù)，在ProfiNet中，每一個(gè)設(shè)備都被看成一個(gè)具有COM接口的自動(dòng)化設(shè)備，同類設(shè)備都有相同的COM接口。在系統(tǒng)中可以通過調(diào)用COM接口來調(diào)用設(shè)備功能。組件對象模型使不同制造商遵循同一個(gè)原則創(chuàng)建的組件之間可以混合使用，簡化了編程。每一個(gè)智能設(shè)備都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件，智能設(shè)備的功能通過對組件進(jìn)行特定的編程來實(shí)現(xiàn)。同類設(shè)備具有相同的內(nèi)置組件，對外提供相同的COM接口。為不同廠家的設(shè)備之間提供了良好的互換性和互操作性。
　　MODBUS/TCP協(xié)議是法國施奈德公司1999年公布的協(xié)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(gè)呼叫都要求一個(gè)應(yīng)答。這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與MODBUS的主從機(jī)制相互配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性。利用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)頁的形式可以使用戶界面更加友好，并且利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部的設(shè)備運(yùn)行情況。施耐德公司已經(jīng)為MODBUS注冊了502端口，這樣就可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)嵌人到網(wǎng)頁中，通過在設(shè)備中嵌人Web服務(wù)器，就可以將Web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端。
　　我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家標(biāo)準(zhǔn)EPA在國際標(biāo)準(zhǔn)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(fā)布為IEC/PAS 62409標(biāo)準(zhǔn)化文件作為第10類型列入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-2 并將收錄為現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158第四版，成為中國第一個(gè)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收和發(fā)布的工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。
5 工業(yè)以太網(wǎng)的前景
　　以太網(wǎng)隨著技術(shù)的成熟，交換技術(shù)的應(yīng)用，高速以太網(wǎng)的發(fā)展等在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域上正迅速增長，幾乎所有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)最終可以都連接到以太網(wǎng)。隨著集成電路的發(fā)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(yùn)行的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)使控制器易于實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，以太網(wǎng)絡(luò)更易于接近現(xiàn)場。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿�。過程控制工業(yè)和自動(dòng)化工業(yè),從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),都認(rèn)識到了以太網(wǎng)和TCP/IP 的重要性,以太網(wǎng)和TCP/ IP 作為世界上最為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,它將成為過程級和控制級的主要傳輸技術(shù)。帶TCP/ IP 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和I/ O 模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進(jìn)行直接地、無縫地連接,而無需任何專用設(shè)備。因此可以說,工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)中的使用將構(gòu)建從底層的現(xiàn)場設(shè)備到先進(jìn)與優(yōu)化控制層、企業(yè)管理決策層的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺,從而可以消除企業(yè)內(nèi)部的各種自動(dòng)化孤島。以太網(wǎng)作為21 世紀(jì)未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選,它將在控制和現(xiàn)場設(shè)備級成為標(biāo)準(zhǔn)的高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
6 結(jié)語
　　工業(yè)以太網(wǎng)以其自身的優(yōu)勢必然會有很好的應(yīng)用前景，我們應(yīng)該充分利用信息網(wǎng)絡(luò)的已有的成熟技術(shù)和可用的新技術(shù)來改善工業(yè)以太網(wǎng)的性能，加快工業(yè)以太網(wǎng)的研究和應(yīng)用。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn):詳細(xì)論述了工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)和存在問題，論述了確定性，可靠性的改進(jìn)方案，并分析了主流應(yīng)用層協(xié)議。