前言:所谓工业以太网,一般来讲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、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

  1 工业以太网技术发展现状

  所谓工业以太网,一般来讲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、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

  随着互联网技术的发展与普及推广,Ethernet技术也得到了迅速的发展,Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展,给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望,并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面:

  1.1 通信确定性与实时性

  工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求,即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式,网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求,因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求,一直被视为非确定性的网络。

  然而,快速以太网与交换式以太网技术的发展,给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机,使这一应用成为可能。首先,Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1 000M、10G,在数据吞吐量相同的情况下,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小,即网络碰撞机率大大下降。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交换机由于具有数据存储、转发的功能,使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲,不再发生碰撞;同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤,使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行,而不需经过主干网,也不占用其它网段的带宽,从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次,全双工通信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。因此,采用交换式集线器和全双工通信,可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信),或碰撞机率大大降低(半双工),因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

  1.2 稳定性与可靠性

  Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是,它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的,而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等),故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。

  随着网络技术的发展,上述问题正在迅速得到解决。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作的问题,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。台湾四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工业以太网产品—MOXA EtherDevice Server(工业以太网设备服务器),特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备(如 PLC、HMI、DCS系统等)。

  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,现场设备的连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,以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。

  1.3 工业以太网协议

  由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统,而且还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之外,往往还需要依靠所传输的数据和指令,执行某些控制计算与操作功能,由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求,满足互操作条件。

  对应于ISO/OSI七层通信模型,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、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP(WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层协议进行信息透明访问的,它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。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信。

  为满足工业现场控制系统的应用要求,必须在Ethernet+TCP/IP协议之上,建立完整的、有效的通信服务模型,制定有效的实时通信服务机制,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,形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,进而形成开放的标准。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之后的新作。FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将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。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。

  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,并通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到HSE网段上,HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能,它的网桥功能能用来连接多个H1总线网段,使不同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信,使操作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技术特点,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、透明通信;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+以太网作为连接介质,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信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFInet网络当中,使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与PROFInet上面的COM对象进行通信,并通过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 Automation公司对以太网进入自动化领域做出的积极响应。Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、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连接,能同时支持10Mbps和100Mbps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,其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性,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通信,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通信,信息部分则用来实现非实时的信息交换。

  2 工业以太网技术的发展趋势与前景

  由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点,目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用,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得到广泛应用,并成为事实上的标准。未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越来越重要的作用。总的来说,工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面:

  2.1 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起国内外工控专家的关注。而现场总线经过十几年的发展,在技术上日渐成熟,在市场上也开始了全面推广,并且形成了一定的市场。就目前而言,全面代替现场总线还存在一些问题,需要进一步深入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。因此,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,具体表现在:

  (1) 物理介质采用标准以太网连线,如双绞线、光纤等;

  (2) 使用标准以太网连接设备(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“透明工厂”的概念,即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络,并与Web功能相结合,与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。

  2.2 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋

  随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展,为以太网的通信确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信的主要障碍,为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。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,旨在推动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信的关键技术,通过研究和攻关,取得了以下成果:

  (1) 以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。

  针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求,经过认真细致的调研和分析,采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术:

  ① 实时通信技术

  其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术,以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施,解决了以太网通信的实时性。

  ② 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

  ③ 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。

  ④ 网络安全技术

  采用控制区域微网段化,各控制区域通过具有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他区域之间的逻辑上的网络隔离。

  ⑤ 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,提高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信为目标,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系统结构和通信标准”(草案),并通过了由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点,通过采用软、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信模块、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。

  2.3 发展前景

  据美国权威调查机构ARC(Automation Research Company)报告指出,今后Ethernet不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场,也必将领导未来现场总线的发展,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越来越广泛,市场占有率的增长也越来越快,将从2000年的11%增加到2005年的23%。

  由于以太网有“一网到底”的美誉,即它可以一直延伸到企业现场设备控制层,所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案,工业以太网已成为现场总线中的主流技术。

  目前,在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作,2001年9月,我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目,其目标是:攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术,其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题,同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件