工业以太网的现状与发展

一 当前工业以太网技术的现状与发展

　　所谓工业以太网，通常来说是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能知足工业现场的须要。
　　随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也获得了迅速的发展，Ethernet传输速率的提升和Ethernet交换技术的发展，给解 决Ethernet通讯的非肯定性问题带来了但愿，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。
　　当前工业以太网技术的发展将体如今如下几个方面：

1. 通讯肯定性与实时性

　 　工业控制网络不一样于普通数据网络的最大特色在于它必须知足控制做用对实时性的要求。实时控制每每要求对某些变量的数据准肯定时刷新。因为以太网采用带冲 突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式，所以一条总线上挂接的多个节点采用平等竞争的方式争用总线，节点要求发送数据时，先监听总线是否空闲，若是 空闲就发送数据，若是总线忙就只能继续监听，等总线空闲后才能发送数据。即使如此，也还会出现几个节点同时发送而发生冲突的可能性，所以传统以太网技术难 以知足控制系统要求准肯定时通讯的实时性要求，一直被视为非肯定性的网络。
　　然而，因为快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非肯定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。
　　首先，Ethernet的通讯速率从10M、100M到现在的1000M、10G，在数据吞吐量相同的状况下，通讯速率的提升意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减少，即网络碰撞机率大大降低。
　　其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机因为具备数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧 可以获得缓冲，碰撞再也不发生；同时交换机还可对网络上传输的数据进行包过滤，使每一个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需通过主干网，也不 占用其余网段的带宽，从而下降了全部网段和主干网的网络负荷。
　　再次，全双工通讯又使得端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。
所以，采用交换式集线器和全双工通讯，可以使网络上的冲突域不复存在(全双工通讯)，或碰撞机率大大下降(半双工)，并由此使Ethernet通讯肯定性和实时性获得大大提升。

2. 稳定性与可靠性

　　Ethernet进入工业控制领域的另外一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为OA领域设计的，抗干扰性能较差，不符合工业现场恶劣环境的要求，也不具有本安特性和向现场仪表供电的性能。
　　随着网络技术的发展，上述问题正在迅速获得解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工做的问题，美国Synergetic微 系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。美国 NETSilicon公司研制的工业Ethernet通讯接口芯片，每片价格已降至10～15美圆，与各类现场总线接口芯片相比，具备很大的价格优点。最 近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。
　　此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的链接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提升网络的抗干扰能力和可靠性。

3. 工业以太网协议

　 　因为工业自动化网络控制系统不仅仅是一个完成数据传输的通讯系统，并且仍是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输以外，每每还须要依 靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操做功能，由多个网络节点协调完成自控任务。于是它须要在应用、用户等高层协议与规范上知足开放系统的要求，满 足互操做条件。
如前所述，对应于ISO/OSI七层通讯模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协 议为主(已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准)。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有做技术规定。目前商用计算机设备之间是经过 FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登陆协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP(WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层 协议进行互信息透明访问的，它们现在在互联网上发挥了很是重要的做用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时 通讯。
　　为知足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet+TCP/IP协议之上，创建完整的、有效的通讯服务模型，制定有效的实时通讯服务机制， 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，造成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而造成开放的标准。
　　为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE、PROFInet、EtherNet/IP等。
　　(1)HSE(High Speed Ethernet，高速以太网)
　　HSE是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线H2以后的新做。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成。由 HSE连接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操做员在主控室能够直接使用网络浏览器查看现场运行状况。现场设 备一样也能够从网络得到控制信息。
　　HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并经过连接设备(Linking Device)将FF H1网络链接到HSE网段上，HSE连接设备同时也具备网桥和网关的功能，它的网桥功能能用来链接多个H1总线网段，使不一样H1网段上的H1设备之间可以 进行对等通讯而无需主机系统的干预。HSE主机能够与全部的连接设备和连接设备上挂接的H1设备进行通讯，使操做数据能传送到远程的现场设备，并接收来自 现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。
　　(2)PROFInet
　　Profibus国际组织针对工业控制要求和Profibus技术特色，提出了基于以太网的PROFInet，它主要包含3方面的技术：(1)基于通 用对象模型(COM)的分布式自动化系统；(2)规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通讯；(3)提供了一个包括设备层和系统层、独立于 制造商的系统模型。
　　PROFInet采用标准TCP/IP+以太网做为链接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC／DCOM来完成节点之间的通讯和网络寻 址。它能够同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段能够经过一个代理设备(proxy)链接到 PROFInet网络当中，使整套Profibus设备和协议可以原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可经过代理proxy 与PROFInet上面的COM对象进行通讯，并经过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。
　　(3)Ethernet/IP
　　Ethernet/IP(以太网工业协议)是主推ControlNet现场总线的Rockwell公司对以太网进入自动化领域作出的积极响应。 EtherNet/IP网络采用商业以太网通讯芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点链接，能同时支持10Mb/s和 100Mb/s以太网商用产品，Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)等3个部分组成，前面两部分为标准的以太网技术，其特点就是被称做控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提升设备间 的互操做性，采用了ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP，CIP一方面提供实时I/O通讯，一方面实现信息的对等传输，其控 制部分用来实现实时I/O通讯，信息部分则用来实现非实时的信息交换。

二 工业以太网技术的发展趋势与前景

　 　因为以太网具备应用普遍、价格低廉、通讯速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优势，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制 造层获得了普遍应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已获得普遍应 用，并成为事实上的标准。将来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥愈来愈重要的做用。
　　总的来讲，工业以太网技术的发展趋势将体如今如下几个方面：

1. 工业以太网与现场总线相结合

　 　工业以太网技术的研究还只是近几年才引发国内外工控专家的关注。而现场总线通过10几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，而且造成 了必定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，须要进步深刻研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。 所以，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表如今：
(1)物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；
(2)使用标准以太网链接设备(如交换机等)，在工业现场使用工业以太网交换机；
(3)采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组；
(4)应用层(甚至是用户层)采用现场总线的应用层、用户层协议；
(5)兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等；
　　这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出的基于嵌入式Web的“透明工厂”系统中以太网、嵌入式Web等商用互联网技术应用于信息管理层、监控层、现场设备层。国内如浙大中控的WebField ECS系列控制系统。

2. 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通讯已成大势所趋

　　随着以太网通讯速率的提升、全双工通讯、交换技术的发展，为以太网的通讯肯定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通讯的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通讯提供了技术可能。
　　为此，国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网(Real-time Ethernet, RTE)标准，旨在推进以太网技术在工业控制领域的全面应用。
　　针对这种形势，以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“863”计划的支持下，开展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通讯的关键技术，经过研究和攻关，取得了如下成果：
　　(1)以太网应用于现场设备间通讯的关键技术得到重大突破
　　针对工业现场设备间通讯具备实时性强、数据信息短、较强的周期性等特色和要求，通过认真细致的调研和分析，采用如下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通讯的关键技术：
　　(a)实时通讯技术
　　其中采用以太网交换技术、全双工通讯、流量控制等技术，以及肯定性数据通讯调度控制策略、简化通讯栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通讯实时性措施，解决了以太网通讯的实时性。
　　(b)总线供电技术
　　采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。
　　(c)远距离传输技术
　　采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。
　　(d)网络安全技术
　　采用控制区域微网段化，各控制区域经过具备网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其余区域之间的逻辑上的网络隔离。
　　(e)可靠性技术
　　采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提升基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。
　　(2)起草了EPA国家标准
　　以工业现场设备间通讯为目标，以工业控制工程师(包括开发和应用)为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP协议，起草了"用于工业测量与控制系统的EPA(Ethernet for Plant Automation)系统结构和通讯标准”(草案)，并经过了由TC124组织的技术评审。
　　(3)开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用
　　针对工业现场控制应用的特色，经过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括：基于以太网的现场设备通讯模块、变送器、执行机构、数据采集器、软PLC等成果等。
在此基础上开发的基于EPA的分布式网络控制系统在杭州某化工厂的联碱碳化装置上成功应用，该系统自2003年4月投运一直稳定运行至今。

3. 发展前景

　 　据美国权威调查机构ARC(Auto-mation Research Company)报告指出，从此Ethernet不只继续垄断商业计算机网络通讯和工业控制系统的上层网络通讯市场，也必将领导将来现场总线的发展， Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC(Venture Development Corp.)调查报告也指出，Ethernet在工业控制领域中的应用将愈来愈普遍，市场占有率的增加也愈来愈快，将从2000年11%增长到2005年 23%。

　　　（全文完）

来源：《世界仪表与自动化》