1 引言
傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)的以太網(wǎng)伴隨著現(xiàn)場總線大戰(zhàn)硝煙已悄悄地進(jìn)入了控制領(lǐng)域傲丹,近年來以太網(wǎng)更是走向前臺便透,發(fā)展迅速,頗引人注目酬俯。究其原因航厚,主要由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展锰蓬,其中通信已成為關(guān)鍵幔睬,用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議
和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面芹扭,Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展麻顶,要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成,并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架舱卡,而目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求辅肾。應(yīng)該說,現(xiàn)場總線的出現(xiàn)確實給工業(yè)自動化帶來一場深層次的革命轮锥,但多種現(xiàn)場總線互不兼容矫钓,不同公司的控制器之間不能實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸,信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝,導(dǎo)致“自動化孤島”現(xiàn)象的出現(xiàn)舍杜,促使人們開始尋求新的出路并關(guān)注到以太網(wǎng)新娜。
2 以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)
2.1 什么是以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)
以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了在局域網(wǎng)(LAN)中采用的電纜類型和信號處理方法既绩。以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以10~100Mbps的速率傳送信息包娶停,雙絞線電纜型號為10 Base T膘掀。以太網(wǎng)由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應(yīng)用最為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)肄慨。直擴(kuò)的無線以太網(wǎng)可達(dá)11Mbps榨狐,許多制造供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都能采用通用的軟件協(xié)議進(jìn)行通信,開放性好晤裆。
普通以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)咱漱,這種網(wǎng)絡(luò)叫工業(yè)以太網(wǎng)。
2.2 以太網(wǎng)具有的優(yōu)點
(1) 具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率(目前已達(dá)到100Mbps)停间,能提供足夠的帶寬;
(2) 由于具有相同的通信協(xié)議温履,Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術(shù))世界;
(3) 能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議,從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺或基礎(chǔ)構(gòu)架;
(4) 在整個網(wǎng)絡(luò)中叙棚,運用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù);
(5) 沿用多年亥护,已為眾多的技術(shù)人員所熟悉,市場上能提供廣泛的設(shè)置粗排、維護(hù)和診斷工具绎彪,成為事實上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);
(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)。
2.3 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點
(1) 基于TCP/IP的以太網(wǎng)采用國際主流標(biāo)準(zhǔn)兽赁,協(xié)議開放状答、完善不同廠商設(shè)備,容易互連具有互操作性;
(2) 可實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問刀崖,遠(yuǎn)程診斷;
(3) 不同的傳輸介質(zhì)可以靈活組合惊科,如同軸電纜、雙絞線亮钦、光纖等;
(4) 網(wǎng)絡(luò)速度快馆截,可達(dá)千兆甚至更多;
(5) 支持冗余連接配置,數(shù)據(jù)可達(dá)性強蜂莉,數(shù)據(jù)有多條通路抵達(dá)目的地;
(6) 系統(tǒng)容易幾乎無限制蜡娶,不會因系統(tǒng)增大而出現(xiàn)不可預(yù)料的故障,由成熟可靠的系統(tǒng)安全體系;
(7) 可降低投資成本映穗。
3 以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的可能性
對于以太網(wǎng)存在的不確定性和實時性能欠佳的問題窖张,已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現(xiàn)男公、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等荤堪,基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率码完,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)載等办适,可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。此外,如Hirschmann公司已開發(fā)出一系列加固的点溶、適合用于工業(yè)環(huán)境的密封和抗振動的以太網(wǎng)器件婚拭,如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器比端、切換器墅波、連接件等;Woodhead Connectivity公司推出保護(hù)等級為IP67的RJ-45連接器件,這些都給以太網(wǎng)進(jìn)入實時控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件侵念。正因為如此帚棚,ARC(Automation Research Company)預(yù)測今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發(fā)布的調(diào)查報告中預(yù)測捎虚,在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域兆性,以太網(wǎng)的世界市場份額將由1998年的8.4%躍升為2003年的22%,是各種總線中升幅最大的泳柴。
同時赋荆,目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域的工作,如IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會)正在著手制訂現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)懊昨。該標(biāo)準(zhǔn)將使網(wǎng)絡(luò)能看到“對象”窄潭。IAONO(工業(yè)自動化開放網(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。ODVA(DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會)于2000年3月17日發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務(wù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)酵颁。FF(現(xiàn)場總線基金會)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)嫉你。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作材义,開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究均抽。目前1000Mbps以太網(wǎng)的發(fā)展已進(jìn)入實用階段,但其價格還比較昂貴其掂。由以上分析可知,以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域是一個不可忽視的必然發(fā)展趨勢潦蝇。
4 工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)展現(xiàn)狀
4.1 在應(yīng)用層中的進(jìn)展
(1) 封裝
眾所周知款熬,以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個共享的構(gòu)架。構(gòu)架包括物理介質(zhì)攘乒、幀格式和LAN設(shè)備數(shù)據(jù)的尋址格式贤牛,即它只提供物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。而Ethernet袁挟、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)钝菲、TCP或UDP協(xié)議(層四),當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時拘栅,第七層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)术偿、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)等弓慨。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時钥陪,體現(xiàn)在第七層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議淤写。對這些不同的概念進(jìn)行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)螟扮。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),它是真正的開放系統(tǒng)通信協(xié)議示宫,已成為目前國際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的事實上的標(biāo)準(zhǔn)骏挎。
“封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP卸酿、FF開發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))监氢、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前藤违,現(xiàn)場總線報文基本上沒有什么變化并作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內(nèi)浪腐,很容易向下兼容到基于以上總線的協(xié)議。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP顿乒,應(yīng)用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol议街,控制和信息協(xié)議),CIP通過“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)包以前必須對其進(jìn)行封裝璧榄,CIP數(shù)據(jù)包給定一個報文首部(header)特漩,該首部的內(nèi)容取決于所請求的服務(wù)屬性。通過以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個專用的以太網(wǎng)首部骨杂、一個IP首部涂身、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令搓蚪、格式蛤售、狀態(tài)信息和同步數(shù)據(jù)等,這允許CIP數(shù)據(jù)能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)行解碼妒潭。Schneider Electric推出的“透明工廠”拥宜,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Quantum PLC仲及。Modbus TCP已成為半導(dǎo)體工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EMIE54.9-2000挺赞。FF的HSE是高效地映像到UDP(用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議,一個被認(rèn)為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議锭偿,其首部比TCP首部短而簡單津阻,只需8個字節(jié),而TCP為長度可變的40個字節(jié))的一個最佳例子挂剪,HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議宵渡,為IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的類型5增量。另一種解決方案是在現(xiàn)場總線的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案拔若,它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報文分割為若干個小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進(jìn)行傳輸门冷,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)為原來的TCP/IP報文驳楞。封裝方案的缺點是協(xié)議的效率低叮凸,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銷献烦,因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數(shù)據(jù)信息滓窍。
(2) 代理服務(wù)器
代理服務(wù)器(Proxy)類似于對2個不同通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)(Gate-way),但其功能要比后者強得多巩那。代理服務(wù)器的主要目標(biāo)是將標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)吏夯,其主要優(yōu)點是現(xiàn)有的現(xiàn)場總線設(shè)備在今后仍能長期使用,從而保護(hù)用戶的投資即横。支持這種觀點的是由Profibus國際組織發(fā)布的Profinet噪生,它包含兩個概念,即開放的东囚、面向?qū)ο蟮倪\行期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念跺嗽。運行期概念基于TCP/IP、UDP页藻、RPC(運程程序調(diào)用)和DCOM桨嫁,并對這些基本機制進(jìn)行加強和優(yōu)化,因而它適合于高實時性能要求的應(yīng)用領(lǐng)域份帐。工程概念包括建立工程對象模型璃吧,它不僅使用戶能通過不同制造商的組態(tài)工具進(jìn)行開發(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)展功能捎霍,因此支持在單個工廠范圍集成不同制造商的產(chǎn)品忌颠。
(3) 實時通信系統(tǒng)
IDA(Interface for Distributed Automation,用于分布式自動化的接口)采用美國California公司開發(fā)的位于第四層的NDDS實時通信系統(tǒng)指模,NDDS是Publisher/Subscriber模式祖修,提供寬范圍強有力的應(yīng)用服務(wù)。IDA的另一個重要特性是基于Web的設(shè)備管理枝玩。所有現(xiàn)場設(shè)備均有其本身的Web頁面,包括組態(tài)揽仔、操作和診斷參數(shù)覆厦,用戶可通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進(jìn)行訪問±畔罚基于XML的設(shè)備描述簡化了系統(tǒng)的組態(tài)们袜,并支持設(shè)備的互操作性和互換性必工。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)之間的通信堰怜,甚至還包括應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)編程接口球垂,IDA集團(tuán)在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術(shù)規(guī)范。
4.2 嵌入以太網(wǎng)的I/O
早在1998年钻蔑,F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠啥刻,以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場設(shè)備、控制器和PC機工作站集成為一個高可靠咪笑、低成本的實時控制的信息網(wǎng)絡(luò)可帽。近年來,一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品窗怒,舉例如下:
(1) Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網(wǎng) I/O產(chǎn)品映跟,并不斷擴(kuò)展和改進(jìn)其產(chǎn)品,如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品;
(2) National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場設(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;
(4) Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內(nèi)裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品;
(5) Automation (暫不可見)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年的美國國家周上宣告其所有的自動化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的鏈接;
(7) Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品扬虚,聲稱是使傳統(tǒng)的自動化控制器能訪問以太網(wǎng)的基礎(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模塊努隙,
(9) 現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場總線設(shè)備問世,如Schneider Electric的Altivar 58變頻器辜昵,不僅能連接到本公司的PLC系列荸镊,亦能連接到內(nèi)裝有Web服務(wù)器的第三方控制器。通過該控制器路鹰,還可遠(yuǎn)程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)贷洲。
4.3 網(wǎng)絡(luò)就是控制器
德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動化系統(tǒng)立意新穎,它是基于100Mbps以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)议幻,宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點诀次。
其特點是:
(1) 類似Internet的結(jié)構(gòu),對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程薯荷,不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié);
(2) 對用戶來說凳慈,只有一組數(shù)據(jù)和一個程序,所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次戒舆,程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用氨缅,網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用;
(3) 從傳感器到工廠管理層,只有一條以太網(wǎng)總線進(jìn)行直接通信;
(4) 可連接到Internet睦柏,實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng);
(5) 以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線妖局,又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線,內(nèi)部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別赶馍,集線器技術(shù)被集成在每個控制器中细企,通過分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來。
4.4 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景
Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert說:“嵌入有以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備摘甜,以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實”屯掖。這個預(yù)言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現(xiàn)場控制級玄柏。但從目前的趨勢來看,已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在贴铜,不太可能退出歷史舞臺粪摘。在現(xiàn)場級,工業(yè)以太網(wǎng)能占領(lǐng)一定的市場绍坝,但它是否能作為實時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)徘意,一時難作定論,最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)陷嘴。此外映砖,并非每種現(xiàn)場總線都將被工業(yè)以太網(wǎng)總線所替代,如AS-i灾挨、CAN邑退,這兩種現(xiàn)場總線就應(yīng)用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器而言,無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數(shù)據(jù)劳澄,且總線可帶電;CAN最多傳輸8個字節(jié))地技,還有一些專用總線,如SERCOS(用于數(shù)控秒拔,控制運動軸墅纲,為IEC61491國際標(biāo)準(zhǔn))、Instabus(用于樓宇)恐呢,都有其專門的應(yīng)用領(lǐng)域游淆,均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)。另外节婶,易燃擎丘、易爆(如化工、制藥)享积,以及環(huán)境條件惡劣边久、可靠性要求很高的應(yīng)用場合,也不適宜于應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)履岂。
4.5工業(yè)以太網(wǎng)在我國的發(fā)展趨勢
由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽遏治,即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層,所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案函强,工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)鸵安。
目前,在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作反璃,2001年9月区转,我國科技部發(fā)布了基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線設(shè)備,其研究目標(biāo)是:攻克應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)版扩,其中包括解決以太網(wǎng)通信的實時性废离、可互操作性、可靠性礁芦、抗干擾性和本質(zhì)安全等問題蜻韭,同時研究開發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件柿扣。
這幾年來肖方,我國在攻克以太網(wǎng)實時性、總線供電和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纫幌盗须y題方面已經(jīng)取得了很大的成果未状。
但是俯画,以太網(wǎng)用于工業(yè)控制目前尚處在研究及解決當(dāng)中,主要有以下問題:
(1) 實時性問題;
(2) 可靠性問題;
(3) 安全性問題;
(4) 供電問題司草。
實時性問題是指傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測的通訊方式艰垂,在實時性要求較高的場合下,重要數(shù)據(jù)的傳輸會產(chǎn)生傳輸延滯埋虹】孕粒可靠性問題是指以太網(wǎng)若采用UDP協(xié)議時,它提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)驳辖,不提供報文到達(dá)確認(rèn)嘴净、排序以及流量控制等功能,因此報文可能會丟失体咽、重復(fù)以及亂序等护狠。這些問題的解決,使以太網(wǎng)能夠滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)鬏斞訒r要求飒迅,加快使其步入工業(yè)控制領(lǐng)域用于現(xiàn)場控制同蚂。
5 結(jié)束語
綜上所述,現(xiàn)有的現(xiàn)場總線有它自己的市場定位沦靖,將來仍將保持這種狀況喂交,或與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合,當(dāng)然防偿,現(xiàn)場總線也不可能被工業(yè)以太網(wǎng)所替代察夕,但工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的巨大潛力決不容忽視,其應(yīng)用領(lǐng)域定將不斷地得到擴(kuò)展窗悯,工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)將成為未來3-5年應(yīng)用的主流区匣。
傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)的以太網(wǎng)伴隨著現(xiàn)場總線大戰(zhàn)硝煙已悄悄地進(jìn)入了控制領(lǐng)域傲丹,近年來以太網(wǎng)更是走向前臺便透,發(fā)展迅速,頗引人注目酬俯。究其原因航厚,主要由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展锰蓬,其中通信已成為關(guān)鍵幔睬,用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議
和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面芹扭,Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展麻顶,要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成,并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架舱卡,而目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求辅肾。應(yīng)該說,現(xiàn)場總線的出現(xiàn)確實給工業(yè)自動化帶來一場深層次的革命轮锥,但多種現(xiàn)場總線互不兼容矫钓,不同公司的控制器之間不能實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸,信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝,導(dǎo)致“自動化孤島”現(xiàn)象的出現(xiàn)舍杜,促使人們開始尋求新的出路并關(guān)注到以太網(wǎng)新娜。
2 以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)
2.1 什么是以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)
以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了在局域網(wǎng)(LAN)中采用的電纜類型和信號處理方法既绩。以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以10~100Mbps的速率傳送信息包娶停,雙絞線電纜型號為10 Base T膘掀。以太網(wǎng)由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應(yīng)用最為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)肄慨。直擴(kuò)的無線以太網(wǎng)可達(dá)11Mbps榨狐,許多制造供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都能采用通用的軟件協(xié)議進(jìn)行通信,開放性好晤裆。
普通以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)咱漱,這種網(wǎng)絡(luò)叫工業(yè)以太網(wǎng)。
2.2 以太網(wǎng)具有的優(yōu)點
(1) 具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率(目前已達(dá)到100Mbps)停间,能提供足夠的帶寬;
(2) 由于具有相同的通信協(xié)議温履,Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術(shù))世界;
(3) 能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議,從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺或基礎(chǔ)構(gòu)架;
(4) 在整個網(wǎng)絡(luò)中叙棚,運用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù);
(5) 沿用多年亥护,已為眾多的技術(shù)人員所熟悉,市場上能提供廣泛的設(shè)置粗排、維護(hù)和診斷工具绎彪,成為事實上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);
(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)。
2.3 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點
(1) 基于TCP/IP的以太網(wǎng)采用國際主流標(biāo)準(zhǔn)兽赁,協(xié)議開放状答、完善不同廠商設(shè)備,容易互連具有互操作性;
(2) 可實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問刀崖,遠(yuǎn)程診斷;
(3) 不同的傳輸介質(zhì)可以靈活組合惊科,如同軸電纜、雙絞線亮钦、光纖等;
(4) 網(wǎng)絡(luò)速度快馆截,可達(dá)千兆甚至更多;
(5) 支持冗余連接配置,數(shù)據(jù)可達(dá)性強蜂莉,數(shù)據(jù)有多條通路抵達(dá)目的地;
(6) 系統(tǒng)容易幾乎無限制蜡娶,不會因系統(tǒng)增大而出現(xiàn)不可預(yù)料的故障,由成熟可靠的系統(tǒng)安全體系;
(7) 可降低投資成本映穗。
3 以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的可能性
對于以太網(wǎng)存在的不確定性和實時性能欠佳的問題窖张,已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現(xiàn)男公、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等荤堪,基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率码完,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)載等办适,可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。此外,如Hirschmann公司已開發(fā)出一系列加固的点溶、適合用于工業(yè)環(huán)境的密封和抗振動的以太網(wǎng)器件婚拭,如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器比端、切換器墅波、連接件等;Woodhead Connectivity公司推出保護(hù)等級為IP67的RJ-45連接器件,這些都給以太網(wǎng)進(jìn)入實時控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件侵念。正因為如此帚棚,ARC(Automation Research Company)預(yù)測今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發(fā)布的調(diào)查報告中預(yù)測捎虚,在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域兆性,以太網(wǎng)的世界市場份額將由1998年的8.4%躍升為2003年的22%,是各種總線中升幅最大的泳柴。
同時赋荆,目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域的工作,如IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會)正在著手制訂現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)懊昨。該標(biāo)準(zhǔn)將使網(wǎng)絡(luò)能看到“對象”窄潭。IAONO(工業(yè)自動化開放網(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。ODVA(DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會)于2000年3月17日發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務(wù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)酵颁。FF(現(xiàn)場總線基金會)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)嫉你。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作材义,開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究均抽。目前1000Mbps以太網(wǎng)的發(fā)展已進(jìn)入實用階段,但其價格還比較昂貴其掂。由以上分析可知,以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域是一個不可忽視的必然發(fā)展趨勢潦蝇。
4 工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)展現(xiàn)狀
4.1 在應(yīng)用層中的進(jìn)展
(1) 封裝
眾所周知款熬,以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個共享的構(gòu)架。構(gòu)架包括物理介質(zhì)攘乒、幀格式和LAN設(shè)備數(shù)據(jù)的尋址格式贤牛,即它只提供物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。而Ethernet袁挟、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)钝菲、TCP或UDP協(xié)議(層四),當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時拘栅,第七層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)术偿、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)等弓慨。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時钥陪,體現(xiàn)在第七層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議淤写。對這些不同的概念進(jìn)行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)螟扮。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),它是真正的開放系統(tǒng)通信協(xié)議示宫,已成為目前國際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的事實上的標(biāo)準(zhǔn)骏挎。
“封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP卸酿、FF開發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))监氢、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前藤违,現(xiàn)場總線報文基本上沒有什么變化并作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內(nèi)浪腐,很容易向下兼容到基于以上總線的協(xié)議。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP顿乒,應(yīng)用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol议街,控制和信息協(xié)議),CIP通過“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)包以前必須對其進(jìn)行封裝璧榄,CIP數(shù)據(jù)包給定一個報文首部(header)特漩,該首部的內(nèi)容取決于所請求的服務(wù)屬性。通過以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個專用的以太網(wǎng)首部骨杂、一個IP首部涂身、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令搓蚪、格式蛤售、狀態(tài)信息和同步數(shù)據(jù)等,這允許CIP數(shù)據(jù)能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)行解碼妒潭。Schneider Electric推出的“透明工廠”拥宜,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Quantum PLC仲及。Modbus TCP已成為半導(dǎo)體工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EMIE54.9-2000挺赞。FF的HSE是高效地映像到UDP(用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議,一個被認(rèn)為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議锭偿,其首部比TCP首部短而簡單津阻,只需8個字節(jié),而TCP為長度可變的40個字節(jié))的一個最佳例子挂剪,HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議宵渡,為IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的類型5增量。另一種解決方案是在現(xiàn)場總線的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案拔若,它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報文分割為若干個小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進(jìn)行傳輸门冷,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)為原來的TCP/IP報文驳楞。封裝方案的缺點是協(xié)議的效率低叮凸,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銷献烦,因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數(shù)據(jù)信息滓窍。
(2) 代理服務(wù)器
代理服務(wù)器(Proxy)類似于對2個不同通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)(Gate-way),但其功能要比后者強得多巩那。代理服務(wù)器的主要目標(biāo)是將標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)吏夯,其主要優(yōu)點是現(xiàn)有的現(xiàn)場總線設(shè)備在今后仍能長期使用,從而保護(hù)用戶的投資即横。支持這種觀點的是由Profibus國際組織發(fā)布的Profinet噪生,它包含兩個概念,即開放的东囚、面向?qū)ο蟮倪\行期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念跺嗽。運行期概念基于TCP/IP、UDP页藻、RPC(運程程序調(diào)用)和DCOM桨嫁,并對這些基本機制進(jìn)行加強和優(yōu)化,因而它適合于高實時性能要求的應(yīng)用領(lǐng)域份帐。工程概念包括建立工程對象模型璃吧,它不僅使用戶能通過不同制造商的組態(tài)工具進(jìn)行開發(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)展功能捎霍,因此支持在單個工廠范圍集成不同制造商的產(chǎn)品忌颠。
(3) 實時通信系統(tǒng)
IDA(Interface for Distributed Automation,用于分布式自動化的接口)采用美國California公司開發(fā)的位于第四層的NDDS實時通信系統(tǒng)指模,NDDS是Publisher/Subscriber模式祖修,提供寬范圍強有力的應(yīng)用服務(wù)。IDA的另一個重要特性是基于Web的設(shè)備管理枝玩。所有現(xiàn)場設(shè)備均有其本身的Web頁面,包括組態(tài)揽仔、操作和診斷參數(shù)覆厦,用戶可通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進(jìn)行訪問±畔罚基于XML的設(shè)備描述簡化了系統(tǒng)的組態(tài)们袜,并支持設(shè)備的互操作性和互換性必工。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)之間的通信堰怜,甚至還包括應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)編程接口球垂,IDA集團(tuán)在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術(shù)規(guī)范。
4.2 嵌入以太網(wǎng)的I/O
早在1998年钻蔑,F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠啥刻,以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場設(shè)備、控制器和PC機工作站集成為一個高可靠咪笑、低成本的實時控制的信息網(wǎng)絡(luò)可帽。近年來,一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品窗怒,舉例如下:
(1) Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網(wǎng) I/O產(chǎn)品映跟,并不斷擴(kuò)展和改進(jìn)其產(chǎn)品,如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品;
(2) National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場設(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;
(4) Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內(nèi)裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品;
(5) Automation (暫不可見)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年的美國國家周上宣告其所有的自動化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的鏈接;
(7) Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品扬虚,聲稱是使傳統(tǒng)的自動化控制器能訪問以太網(wǎng)的基礎(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模塊努隙,
(9) 現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場總線設(shè)備問世,如Schneider Electric的Altivar 58變頻器辜昵,不僅能連接到本公司的PLC系列荸镊,亦能連接到內(nèi)裝有Web服務(wù)器的第三方控制器。通過該控制器路鹰,還可遠(yuǎn)程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)贷洲。
4.3 網(wǎng)絡(luò)就是控制器
德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動化系統(tǒng)立意新穎,它是基于100Mbps以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)议幻,宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點诀次。
其特點是:
(1) 類似Internet的結(jié)構(gòu),對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程薯荷,不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié);
(2) 對用戶來說凳慈,只有一組數(shù)據(jù)和一個程序,所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次戒舆,程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用氨缅,網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用;
(3) 從傳感器到工廠管理層,只有一條以太網(wǎng)總線進(jìn)行直接通信;
(4) 可連接到Internet睦柏,實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng);
(5) 以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線妖局,又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線,內(nèi)部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別赶馍,集線器技術(shù)被集成在每個控制器中细企,通過分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來。
4.4 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景
Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert說:“嵌入有以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備摘甜,以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實”屯掖。這個預(yù)言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現(xiàn)場控制級玄柏。但從目前的趨勢來看,已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在贴铜,不太可能退出歷史舞臺粪摘。在現(xiàn)場級,工業(yè)以太網(wǎng)能占領(lǐng)一定的市場绍坝,但它是否能作為實時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)徘意,一時難作定論,最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)陷嘴。此外映砖,并非每種現(xiàn)場總線都將被工業(yè)以太網(wǎng)總線所替代,如AS-i灾挨、CAN邑退,這兩種現(xiàn)場總線就應(yīng)用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器而言,無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數(shù)據(jù)劳澄,且總線可帶電;CAN最多傳輸8個字節(jié))地技,還有一些專用總線,如SERCOS(用于數(shù)控秒拔,控制運動軸墅纲,為IEC61491國際標(biāo)準(zhǔn))、Instabus(用于樓宇)恐呢,都有其專門的應(yīng)用領(lǐng)域游淆,均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)。另外节婶,易燃擎丘、易爆(如化工、制藥)享积,以及環(huán)境條件惡劣边久、可靠性要求很高的應(yīng)用場合,也不適宜于應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)履岂。
4.5工業(yè)以太網(wǎng)在我國的發(fā)展趨勢
由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽遏治,即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層,所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案函强,工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)鸵安。
目前,在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作反璃,2001年9月区转,我國科技部發(fā)布了基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線設(shè)備,其研究目標(biāo)是:攻克應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)版扩,其中包括解決以太網(wǎng)通信的實時性废离、可互操作性、可靠性礁芦、抗干擾性和本質(zhì)安全等問題蜻韭,同時研究開發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件柿扣。
這幾年來肖方,我國在攻克以太網(wǎng)實時性、總線供電和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纫幌盗须y題方面已經(jīng)取得了很大的成果未状。
但是俯画,以太網(wǎng)用于工業(yè)控制目前尚處在研究及解決當(dāng)中,主要有以下問題:
(1) 實時性問題;
(2) 可靠性問題;
(3) 安全性問題;
(4) 供電問題司草。
實時性問題是指傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測的通訊方式艰垂,在實時性要求較高的場合下,重要數(shù)據(jù)的傳輸會產(chǎn)生傳輸延滯埋虹】孕粒可靠性問題是指以太網(wǎng)若采用UDP協(xié)議時,它提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)驳辖,不提供報文到達(dá)確認(rèn)嘴净、排序以及流量控制等功能,因此報文可能會丟失体咽、重復(fù)以及亂序等护狠。這些問題的解決,使以太網(wǎng)能夠滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)鬏斞訒r要求飒迅,加快使其步入工業(yè)控制領(lǐng)域用于現(xiàn)場控制同蚂。
5 結(jié)束語
綜上所述,現(xiàn)有的現(xiàn)場總線有它自己的市場定位沦靖,將來仍將保持這種狀況喂交,或與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合,當(dāng)然防偿,現(xiàn)場總線也不可能被工業(yè)以太網(wǎng)所替代察夕,但工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的巨大潛力決不容忽視,其應(yīng)用領(lǐng)域定將不斷地得到擴(kuò)展窗悯,工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)將成為未來3-5年應(yīng)用的主流区匣。
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