正在進(jìn)入控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)

　　 幾年前肩容，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)硝煙正濃時(shí)，傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)的以太網(wǎng)卻悄悄地進(jìn)入了控制領(lǐng)域巢段。近來(lái)以太網(wǎng)更是走向前臺(tái)勘米，發(fā)展迅速，頗引人注目溢棱。究其原因，是由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)正向分布化独府、智能化的實(shí)時(shí)控制方面發(fā)展吩伊，其中，通信已成為關(guān)鍵婆沟，用戶對(duì)統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切便螟。另一方面，Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)縫信息集成爆捞，并提供一個(gè)開(kāi)放的基礎(chǔ)構(gòu)架奉瘤，但目前的現(xiàn)場(chǎng)總線尚不能滿足這些要求。應(yīng)該說(shuō)煮甥，現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)確實(shí)給工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)一場(chǎng)深層次的革命盗温，但多種現(xiàn)場(chǎng)總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸成肘，信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝導(dǎo)致出現(xiàn)“自動(dòng)化孤島”等卖局，促使人們開(kāi)始尋求新的出路，并關(guān)注以太網(wǎng)双霍。以太網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)：　　
　　 　　(1)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率(目前已達(dá)到100Mb/s)砚偶，能提供足夠的帶寬；
　　 　　(2)由于具有相同的通信協(xié)議洒闸，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術(shù))世界染坯；
　　 　　(3)能在同一總線上運(yùn)行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或基礎(chǔ)構(gòu)架丘逸；
　　 　　(4)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中单鹿，運(yùn)用了交互式和開(kāi)放的數(shù)據(jù)存取技術(shù)；
　　 　　(5)沿用多年展管，已為眾多的技術(shù)人員所熟悉陕牲，市場(chǎng)上能提供廣泛的設(shè)置、維護(hù)和診斷工具瓣老，成為事實(shí)上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)芒极；
　　 　　(6)允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　
　　至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問(wèn)題崇已，已由于智能集線器的使用户挟、主動(dòng)切換功能的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等贱起，基本上得到了解決中痴。通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細(xì)地選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等迫扫，可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低疮窟。此外，如Hirschmann公司已開(kāi)發(fā)出一系列加固的诬絮、適合用于工業(yè)環(huán)境的密封和抗振動(dòng)的以太網(wǎng)器件鬼癣，如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器啤贩、切換器待秃、連接件等拜秧；Woodhead Connectivity公司推出保護(hù)等級(jí)為IP67的RJ-45連接器件。凡此種種章郁，給以太網(wǎng)進(jìn)入實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件枉氮。正因?yàn)槿绱耍珹RC(Automation Research Company)預(yù)測(cè)今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)協(xié)議暖庄。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發(fā)布的調(diào)查報(bào)告中預(yù)測(cè)聊替，在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域，以太網(wǎng)的世界市場(chǎng)份額將由1998年的8.4%躍升為2003年的22%雄驹，是各種總線中升幅最大的佃牛。
　　
　　目前世界上已有一些國(guó)際組織從事推動(dòng)以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域的工作，如IEEE(美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì))正在著手制訂現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)医舆。該標(biāo)準(zhǔn)將使網(wǎng)絡(luò)能看到“對(duì)象”俘侠。IAONO(工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟)最近與ODVA和IDA集團(tuán)就共同推進(jìn)Ethernet和TCP/IP達(dá)成共識(shí)。ODVA(DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì))于2000年3月17日發(fā)布了一個(gè)為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務(wù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)彪饺。FF(現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì))于2000年3月29日公布了高速以太網(wǎng)(100Mb/s)的最終技術(shù)規(guī)范(FSI1.0)钦将。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)與美國(guó)的ARC、Advisory Group等單位合作通冕，開(kāi)展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究阱纷。目前1000Mb/s以太網(wǎng)的發(fā)展已進(jìn)入實(shí)用階段，雖然其價(jià)格還比較昂貴创炉。由以上分析可知辞唤，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域是一個(gè)不可忽視的發(fā)展趨勢(shì)。本文概要介紹工業(yè)以太網(wǎng)最近的一些進(jìn)展尺那，并對(duì)今后的展望作一些探討为巾。
　　
一 在應(yīng)用層中的進(jìn)展 　　 　　
　　
1. 封裝 　　
　　眾所周知，以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個(gè)共享的構(gòu)架丹自。構(gòu)架包括物理介質(zhì)彰朴、幀格式和LAN設(shè)備數(shù)據(jù)的尋址格式，即它只提供物理層和數(shù)據(jù)鏈路層弹值。而Ethernet据智、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)、TCP或UDP協(xié)議(層四)豫尽，當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)篙梢，第七層含有HTTP(超級(jí)文本傳輸協(xié)議)、FTP (文件傳輸協(xié)議)美旧、SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)渤滞、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)等。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時(shí)陈症，體現(xiàn)在第七層的是實(shí)時(shí)通信蔼水、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。對(duì)這些不同的概念進(jìn)行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)录肯。TCP/IP支持基于異種操作系統(tǒng)的異種網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)趴腋，它是真正的開(kāi)放系統(tǒng)通信協(xié)議，已成為目前國(guó)際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)论咏。
　　
　　“封裝”是將報(bào)文幀嵌入到TCP或UDP的容器中优炬。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開(kāi)發(fā)的Ethernet/IP、FF開(kāi)發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))厅贪、Schneider Electric開(kāi)發(fā)的Modbus TCP/IP蠢护。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前，現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文基本上沒(méi)有什么變化并作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內(nèi)倚撰，很容易向下兼容到基于以上總線的協(xié)議恃姨。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應(yīng)用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol窝秤，控制和信息協(xié)議)宴今。

　　CIP通過(guò)“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的寬范圍的服務(wù)。
　　在發(fā)送CIP數(shù)據(jù)包以前必須對(duì)其進(jìn)行封裝幽州，CIP數(shù)據(jù)包給定一個(gè)報(bào)文首部(header)换攘，該首部的內(nèi)容取決于所請(qǐng)求的服務(wù)屬性。
　　通過(guò)以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個(gè)專用的以太網(wǎng)首部匙戚、一個(gè)IP首部椎颓、一個(gè)TCP首部和一個(gè)封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令潭三、格式最阿、狀態(tài)信息和同步數(shù)據(jù)等，這允許CIP數(shù)據(jù)能通過(guò)TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)行解碼粒惜。
　　 Schneider Electric推出的“透明工廠”佣棠，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協(xié)議的Modbus TCP/IP的模塊應(yīng)用于Memetum PLC蜡镶。Modbus TCP已成為半導(dǎo)體工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EMIE54.9-2000雾袱。
　　 FF的HSE是高效地映像到UDP (用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議，一個(gè)被認(rèn)為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議官还，其首部比TCP首部短而簡(jiǎn)單芹橡，只需8個(gè)字節(jié)，而TCP為長(zhǎng)度可變的40個(gè)字節(jié))的一個(gè)最佳例子望伦，HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議林说，為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的類型5。
　　另一種解決方案是在現(xiàn)場(chǎng)總線的上層運(yùn)行或封裝有TCP/IP屯伞。Interbus就是這種解決方案腿箩，它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報(bào)文分割為若干個(gè)小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進(jìn)行傳輸豪直，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數(shù)據(jù)包將在接收方重新裝配從而恢復(fù)為原來(lái)的TCP/IP報(bào)文珠移。
　　封裝方案的缺點(diǎn)是協(xié)議的效率低弓乙，以太網(wǎng)的首部比用戶數(shù)據(jù)大得多，從而大幅度地增加開(kāi)銷钧惧，因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數(shù)據(jù)信息暇韧。
　　
2. 代理服務(wù)器 　
　　代理服務(wù)器(Proxy)類似于對(duì)兩個(gè)不同通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)(Gate-way)，但其功能要比后者強(qiáng)得多叮歧。代理服務(wù)器的主要目標(biāo)是將標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)作两，其主要優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在今后仍能長(zhǎng)期使用，從而保護(hù)用戶的投資菌秘。支持這種觀點(diǎn)的是由Profibus國(guó)際組織發(fā)布的Profinet袒覆，它包含兩個(gè)概念，即開(kāi)放的及奋、面向?qū)ο蟮倪\(yùn)行期(Runtime)概念和獨(dú)立于制造商的工程概念孝速。運(yùn)行期概念基于TCP/IP、UDP拨蓖、RPC(運(yùn)程程序調(diào)用)和DCOM橱殉，并對(duì)這些基本機(jī)制進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化，因而它適合于高實(shí)時(shí)性能要求的應(yīng)用領(lǐng)域照旺。工程概念包括建立工程對(duì)象模型泰啼，它不僅使用戶能通過(guò)不同制造商的組態(tài)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應(yīng)用專用的擴(kuò)展功能酝浦，因此支持在單個(gè)工廠范圍集成不同制造商的產(chǎn)品分衫。
　　 　　 　　
3. 實(shí)時(shí)通信系統(tǒng) 　　
　　IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自動(dòng)化的接口)采用美國(guó)California公司開(kāi)發(fā)的位于第四層的NDDS實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)般此，NDDS是Publisher/Subscriber模式蚪战，提供寬范圍強(qiáng)有力的應(yīng)用服務(wù)。IDA的另一個(gè)重要特性是基于Web的設(shè)備管理铐懊。所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均有其本身的Web頁(yè)面邀桑，包括組態(tài)、操作和診斷參數(shù)科乎，用戶可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn)壁畸。基于XML的設(shè)備描述簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組態(tài)茅茂，并支持設(shè)備的互操作性和互換性捏萍。IDA位于工業(yè)以太網(wǎng)的第七層，它還定義從第四層到第七層和應(yīng)用接口(API)之間的通信空闲，甚至還包括應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)編程接口令杈。IDA集團(tuán)在2001年的德國(guó)漢諾威博覽會(huì)上公布了其技術(shù)規(guī)范走敌。IDA的模型如圖2所示。 　　 　　
　　 二 嵌入以太網(wǎng)的I/O 　　 　　早在1998年棋眠，F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動(dòng)化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國(guó)Bayer AG公司的氯堿分廠铣修，以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器和PC機(jī)工作站集成為一個(gè)高可靠意宝、低成本的實(shí)時(shí)控制的信息網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)庵臼，一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品慎间，舉例如下：
　　 　　 (1)Opto 22從1998年第四季度起開(kāi)始提供以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，并不斷擴(kuò)展和改進(jìn)其產(chǎn)品揽邀，如開(kāi)發(fā)符合802.11和802.11b的無(wú)線電訪問(wèn)以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品粗啼；
　　 　　(2)National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到以太網(wǎng)的鏈接；
　　 　　(3)SixNet提供嵌入以太網(wǎng)芯片的I/O模塊辙势；
　　 　　(4)Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內(nèi)裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品蘸概；
　　 　　(5)Automation (暫不可見(jiàn))和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網(wǎng)I/O新產(chǎn)品已面市；
　　 　　(6)GE Fanuc Automation在2000年的美國(guó)國(guó)家周上宣告其所有的自動(dòng)化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的鏈接羞媳；
　　 　　(7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品悄济，聲稱是使傳統(tǒng)自動(dòng)化控制器能訪問(wèn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；
　　 　　(8)Action公司的子公司Busware公布以太網(wǎng)的E系列I/O模塊扼菠，如圖3所示摄杂。
　　
　　 此外，現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備問(wèn)世循榆，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器析恢，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內(nèi)裝有Web服務(wù)器的第三方控制器秧饮。通過(guò)該控制器映挂，還可遠(yuǎn)程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)。
　　
三 網(wǎng)絡(luò)就是控制器 　　 　　
　　德國(guó)Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動(dòng)化系統(tǒng)立意新穎盗尸，它是基于100Mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)柑船，宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)。其特點(diǎn)是：(1)類似Internet的結(jié)構(gòu)泼各，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸不需要編程椎组，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；(2)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)历恐，只有一組數(shù)據(jù)和一個(gè)程序寸癌，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用弱贼，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用兰捣；(3)從傳感器到工廠管理層槐骂，只有一條以太網(wǎng)總線進(jìn)行直接通信；(4)可連接到Internet赞亡，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全球化聯(lián)網(wǎng)肪躯；(5)以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線生纫，內(nèi)部和外部的通信在此沒(méi)有什么區(qū)別掀舷，集線器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過(guò)分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來(lái)都陵。
　　
四 小結(jié) 　　 　　
       Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert說(shuō)：“嵌入有以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備幅猖，以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實(shí)”。這個(gè)預(yù)言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)造轴。但從目前的趨勢(shì)來(lái)看梢翼，已有的現(xiàn)場(chǎng)總線仍將繼續(xù)存在，不太可能退出歷史舞臺(tái)胀邀。在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)雪怠，工業(yè)以太網(wǎng)能占領(lǐng)一定的市場(chǎng)，但它是否能作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)戚嗅，一時(shí)難作定論雨涛，最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)。此外懦胞，并非每種現(xiàn)場(chǎng)總線都將被工業(yè)以太網(wǎng)總線所替代镜悉，如AS-i、CAN医瘫，這兩種現(xiàn)場(chǎng)總線就應(yīng)用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器而言侣肄，無(wú)疑是最佳的(AS-i傳輸4位數(shù)據(jù)，且總線可帶電醇份；CAN最多傳輸8個(gè)字節(jié))稼锅，還有一些專用總線，如SERCOS (用于數(shù)控僚纷，控制運(yùn)動(dòng)軸矩距，為IEC61491國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))、Instabus(用于樓宇)怖竭，都有其專門的應(yīng)用領(lǐng)域锥债，均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)厌棵。另外泉疆，易燃筋氮、易爆(如化工现柠、制藥)盔却，以及環(huán)境條件惡劣弧可、可靠性要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合契惶，也不適宜于應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)吆揖。
　　
　　綜上所述，已有的現(xiàn)場(chǎng)總線有它自己的市場(chǎng)定位体六，將來(lái)仍將保持這種狀況仁灶，或與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合。現(xiàn)場(chǎng)總線不可能為工業(yè)以太網(wǎng)所替代挥桑，但后者發(fā)展的巨大潛力決不容忽視豪杉，其應(yīng)用領(lǐng)域定將不斷地得到擴(kuò)展

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開(kāi)資料來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享达玉，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)豆玖，也不構(gòu)成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布揭胶、編輯整理上傳，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)鞍爱，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)鹃觉。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片睹逃、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題盗扇，請(qǐng)第一時(shí)間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容沉填，以保證您的權(quán)益疗隶！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。