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1.2 穩(wěn)定性與可靠性

    Ethernet進(jìn)入控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計(jì)(如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等)，商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，許多公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)等產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。臺灣四零四科技(Moxa Technologies)于2002年6月推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品――MOXA Ethernet Device Server(工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器)，專用于連接具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備(如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等)。 

在新發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范進(jìn)行了定義。在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。

1.3 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(jì)算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)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(yīng)于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主(已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn))，對較高的層次如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計(jì)算機(jī)設(shè)備之間是通過FTP(文件傳送協(xié)議)、Telnet(遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)等應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行信息透明訪問的，但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合于工控領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。

為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應(yīng)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(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)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。各現(xiàn)場總線組織都將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場總線應(yīng)用層協(xié)議，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

(1)    HSE(High Speed Ethernet，高速以太網(wǎng))

    HSE是現(xiàn)場總線基金會(huì)(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(huì)明確將HSE定位成實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運(yùn)行情況，現(xiàn)場設(shè)備也可以從網(wǎng)絡(luò)獲得控制信息。

HSE在低四層直接采用Ethernet+TCP/IP，在應(yīng)用層和用戶層直接采用FF H1的應(yīng)用層服務(wù)和功能塊應(yīng)用進(jìn)程規(guī)范，并通過鏈接設(shè)備(Linking Device)將FF H1網(wǎng)絡(luò)連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設(shè)備同時(shí)具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，它的網(wǎng)橋功能能用來連接多個(gè)H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對等通信而無需主機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機(jī)可以與所有的鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接的H1設(shè)備進(jìn)行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)程的現(xiàn)場設(shè)備，并接收來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可直接映射到標(biāo)準(zhǔn)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(shù)特點(diǎn)，提出基于以太網(wǎng)的PROFInet，它主要包含三方面的技術(shù)：① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)；② 規(guī)定了Profibus和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信；③ 提供一個(gè)包括設(shè)備層和系統(tǒng)層、獨(dú)立于制造商的系統(tǒng)模型。

   PROFInet采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP+以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個(gè)代理設(shè)備(proxy)連接到PROFInet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在PROFInet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理proxy與PROFInet上面的COM對象進(jìn)行通信，并通過OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。

(3) Ethernet/IP

   Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，能同時(shí)支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品，Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等3個(gè)部分組成，前面兩部分為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，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(shè)備間的互操作性，采用了Control Net和Device Net控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP，CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對等傳輸，其控制部分用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分則用來實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。

2． 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢與前景

由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，它已在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工控現(xiàn)場的趨勢,目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)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(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)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(shù)上日漸成熟，在市場上已全面推廣。工業(yè)以太網(wǎng)全面代替現(xiàn)場總線還存在一些問題，需要進(jìn)一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現(xiàn)場總線相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：

(1) 物理介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連線，如雙絞線、光纖等；

(2) 使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接設(shè)備(如交換機(jī)等)，在工業(yè)現(xiàn)場使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)；

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

(4) 應(yīng)用層(甚至是用戶層)采用現(xiàn)場總線的應(yīng)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(yīng)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(wù)網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成暢通的透明網(wǎng)絡(luò)，并與Web功能相結(jié)合，與工廠的電子商務(wù)、物資供應(yīng)鏈和ERP等形成整體。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信已成大勢所趨

隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而消除了以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的主要障礙。國際電工委員會(huì)IEC正著手起草實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(Real-time Ethernet, RTE)標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在工控領(lǐng)域的全面應(yīng)用。國內(nèi)，在國家“863”計(jì)劃的支持下，許多單位開展EPA(Ethernet for Plant Automation)技術(shù)的研究，重點(diǎn)是研究以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)，通過研究和攻關(guān)，取得了以下成果：

(1)    以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破。

    針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強(qiáng)等特點(diǎn)和要求，經(jīng)研究，采用以下技術(shù)可解決以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信所遇到的問題：

①實(shí)時(shí)通信技術(shù)

采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實(shí)時(shí)性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性。

②總線供電技術(shù)

采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。

③遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

采用網(wǎng)絡(luò)分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò)超小時(shí)滯中繼以及光纖等技術(shù)解決以太網(wǎng)的遠(yuǎn)距離傳輸問題。

④網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

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

⑤可靠性技術(shù)

采用分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等，提高基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備可靠性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室EMC測試，設(shè)備可靠性符合工業(yè)現(xiàn)場控制要求。
(2) 起草了EPA國家標(biāo)準(zhǔn)。

以工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信為目標(biāo)，以工業(yè)控制工程師為使用對象，基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)+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(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”，并通過了由TC124組織的技術(shù)評審。

(3) 開發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備及相關(guān)軟件原型樣機(jī)，并在化工生產(chǎn)裝置上成功應(yīng)用。針對工業(yè)現(xiàn)場控制應(yīng)用的特點(diǎn)，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設(shè)計(jì)措施，開發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場控制設(shè)備，主要包括：基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備通信模塊、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集器、軟PLC等成果等。

2.3工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例

圖中小區(qū)三表抄送網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸與交換平臺，承擔(dān)著、數(shù)據(jù)信息及其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信號的匯接和傳輸任務(wù)。從物理連接上，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)。冗余切換時(shí)間300毫秒，采用某電信技術(shù)公司的KIEN 6000-2M，2對多模光口，6個(gè)10/100M 自適應(yīng)RJ45口；24伏直流冗余電源接入，報(bào)警輸出；可以靈活的與其他網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(shè)情況，此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)監(jiān)控控制單元到監(jiān)控中心均采用一一對應(yīng)的設(shè)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(gè)監(jiān)控點(diǎn)之間單根纖斷裂時(shí)，可自動(dòng)切換到備用通道實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的不間斷傳輸。雙電源的冗余備份、光口/電口自動(dòng)故障保報(bào)警都顯示了在工控水利場合上也交換機(jī)所不能達(dá)到的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢.

                   圖2  工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例

2.4小結(jié)

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

目前，在國際上有多個(gè)組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2001年9月，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)備研究項(xiàng)目，其目標(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)，其中包括解決以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等問題，同時(shí)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。

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