1 引言
10年前，微電子技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息技術(shù)首先完成了辦公環(huán)境的革命。隨后，由辦公世界導(dǎo)出的信息技術(shù)，如以個人PC為基礎(chǔ)的共存標(biāo)準(zhǔn)、OPC接口技術(shù)、互連網(wǎng)技術(shù)及其工具(諸如HTTP和XML等)、以及電子商務(wù)技術(shù)等都以快速和更新的勢頭迅猛發(fā)展，同時開始向各個領(lǐng)域急速滲透。最近幾年，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，信息技術(shù)將全面進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域，工業(yè)自動化系統(tǒng)的各個層面都會受到IT技術(shù)的沖擊。
過去一直認(rèn)為，作為信息技術(shù)基礎(chǔ)的Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，在工業(yè)自動化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用，這是由于:
(1) Ethernet采用CSMA/CD碰狀檢測方式，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時，網(wǎng)絡(luò)的確定性(determinism)不能滿足工業(yè)控制的實時要求;
(2) Ethernet所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求;
(3) 在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾(EMI)性能較差。若用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能;
(4) Ethernet網(wǎng)還不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。
隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了促進(jìn)Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(industrial Ethernet Association)，并與美國ARC Advisory Group、AMR Rebbbbbb研究中心和Gartner Group等機(jī)構(gòu)合作開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。
為了解決在無間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)能在極端惡劣的條件下穩(wěn)定地工作的問題，美國Synergetic Micro System公司和德國Hirschmann公司專門開發(fā)和生產(chǎn)導(dǎo)軌式收發(fā)器系列、集線器系列和交換機(jī)系列，它們安裝在標(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)。Woodhead Connectivity公司已研制成特殊封裝的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)接插件RJ-Lnxx IP67，能與RJ-45商用接插件和其他工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品一起使用。美國NET Silicon公司研制的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口芯片，每片價格已降至10美元左右，與各種現(xiàn)場總線芯片相比，價格具有極大優(yōu)勢。
鑒于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展和關(guān)鍵問題的突破，使得工業(yè)自動化領(lǐng)域控制級以上的通信網(wǎng)絡(luò)正在逐步統(tǒng)一到工業(yè)以太網(wǎng)，并正在向下逐漸延伸。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正在加快推廣應(yīng)用，使用哪一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)提到了議事日程。在工業(yè)控制領(lǐng)域，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展不可能脫離原來的DCS、PLC和FCS控制與管理系統(tǒng)基礎(chǔ)，各國的工業(yè)自動化系統(tǒng)公司為了保護(hù)已有的投資利益和擴(kuò)大自己公司產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，紛紛提出工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)方案，從而出現(xiàn)了現(xiàn)場總線在轉(zhuǎn)向工業(yè)以太網(wǎng)的同時，又將現(xiàn)場總線之爭讓路給工業(yè)以太網(wǎng)的局面。
2 工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的4個競爭者
目前，工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)主要有4個競爭者，它們是:Modbus-IDA(Modbus protocol on TCP/IP)工業(yè)以太網(wǎng)、Ethernet/IP(the ControlNet/Devicenet bbbbbbs on TCP/IP)工業(yè)以太網(wǎng)、Foundation Fieldbus HSE(High Speed Ethernet)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET(Profibus on Ethernet)工業(yè)以太網(wǎng)。
(1) Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)
IDA(Interface for Distributed Automation)組織是由德國Phoenix Contact公司和法國Schneider電氣公司等多家公司于2000年3月聯(lián)合成立的，該組織提出一套基于Ethernet、TCP/IP的用于分布式自動化的接口標(biāo)準(zhǔn)，利用這個接口標(biāo)準(zhǔn)，可以建立基于Ethernet和Web的分布式智能控制系統(tǒng)。IDA組織開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的主要定義:協(xié)議、方法和用于節(jié)點間實時和管理通信的對象結(jié)構(gòu);為了實現(xiàn)不同生產(chǎn)商工具和設(shè)備間的對象交換，將使用基于XML的對象描述和交換機(jī)制;通過定義一個安全層，將大大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性;為了同步設(shè)備的時鐘，定義了高精度同步的方法;定義了設(shè)備描述、IP尋址和設(shè)備映象等方法，簡化設(shè)備的安裝和替換，實現(xiàn)真正意義上的即插即用。
Modbus協(xié)議原為美國Modicon公司于70年代所發(fā)表的用于PLC產(chǎn)品的通信協(xié)議。由于其功能比較完善，很容易實現(xiàn)，適用于不少工業(yè)用戶所需要的通信類別，所以被許多系統(tǒng)供應(yīng)商采納，得到很廣泛的應(yīng)用，已成為事實上的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。早期的Modbus協(xié)議似乎建立在TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)RS-232F和RS-485A串行鏈路的基礎(chǔ)上，近年來，隨著Modbus協(xié)議不斷發(fā)展，已經(jīng)將Web Server、Ethernet和TCP/IP等技術(shù)引入應(yīng)用協(xié)議，于是，在2002年5月以法國Schneider公司為首的MODBUS組織(Modbus Organization)發(fā)表了Modbus TCP/IP規(guī)范，它建立在IETF標(biāo)準(zhǔn)RFC 793和RFC 791基礎(chǔ)上。
Modbus TCP/IP基本上用簡單方式將Modbus幀嵌入TCP幀，這是一種面向連接的傳送，它們需要響應(yīng)。使用UDP不需要響應(yīng)，其差錯檢驗通常在應(yīng)用層完成。上述請求/響應(yīng)技術(shù)很適用于Modbus的主站/從站特性，交換式Ethernet為用戶提供確定性特性。在TCP幀中使用開放的Modbus可提供一種系統(tǒng)規(guī)?？缮炜s的方案，由10個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點到100個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，無需采用多目的傳送(Multicast)技術(shù)。
從上面的敘述可以看出，Modbus組織和IDA集團(tuán)都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式智能自動化系統(tǒng)，因此，合并后Modbus IDA工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)將會更加完善，其系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，該系統(tǒng)是總線型分級分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然以太網(wǎng)也可以采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。管理級采用以太網(wǎng)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，它由目前流行的商用以太網(wǎng)集線器、交換機(jī)和收發(fā)器等構(gòu)成，可完成用戶各種管理功能;控制級包括PLC、IPC、分布式I/O、人機(jī)界面、電機(jī)速度控制器和網(wǎng)關(guān)等，采用Modbus TCP/IP協(xié)議，完成各種控制功能;現(xiàn)場級可采用基于Modbus協(xié)議或Ethernet協(xié)議的各類設(shè)備和I/O裝備;嵌入式Web服務(wù)是系統(tǒng)核心技術(shù)之一，使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器就可以讀取設(shè)備的各類信息、修改設(shè)備的配置和查看歷史故障記錄。同時，集成式Web服務(wù)器可完成系統(tǒng)設(shè)備的診斷功能。
圖1 Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Modbus-IDA通信協(xié)議模型示于圖2，該模型建立在面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上，這些對象可以通過API應(yīng)用程序接口被應(yīng)用層調(diào)用。通信協(xié)議同時提供實時服務(wù)和非實時服務(wù)。非實時通信基于TCP/IP協(xié)議，充分采用IT成熟技術(shù)，如基于網(wǎng)頁的診斷和配置(HTTP)、文件傳輸(FTP)、網(wǎng)絡(luò)管理(SNMP)、地址管理(BOOTP/DHCP)和郵件通知(SMTP)等;實時通信服務(wù)建立在RTPS(實時發(fā)布者/予訂者模式)和Modbus協(xié)議之上。RTPS協(xié)議及其應(yīng)用程序接口(API)由一個對各種設(shè)備都一致的中間件來實現(xiàn)，它采用美國RTI公司的NDDS 3.0實時通信系統(tǒng)，并構(gòu)建在UDP協(xié)議上;Modbus協(xié)議構(gòu)建在TCP協(xié)議上。
圖2 Modbus-IDA通信協(xié)議模型
(2) Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)
1998年初，Control Net國際組織(Control Net International，CI)開發(fā)了由Control Net和Device Net共享的、開放的和被廣泛接受的應(yīng)用層規(guī)范，上述兩種網(wǎng)絡(luò)都是基于Ethernet的。利用這種技術(shù)，CI、工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(the Industrial Ethernet Association，IEA)和開放的Device Net供應(yīng)商協(xié)會(Open Device Net Vendor Association，ODVA)于2000年3月發(fā)表了Ethernet/IP，打算將這個基于Ethernet的應(yīng)用層協(xié)議作為工業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet/IP)是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它支持顯性和隱性報文，并且使用目前流行的商用以太網(wǎng)芯片和物理媒體。如圖3所示，Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)使用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一組裝置點對點地連接到交換機(jī)。星形拓?fù)涞膬?yōu)點是支持10Mbps和100Mbps的產(chǎn)品，可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)品混合使用。星形拓?fù)浣泳€簡便，很容易查找故障，維護(hù)也簡單等。
圖3 Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Ethernet/IP是一種開放協(xié)議，它使用現(xiàn)有的成熟技術(shù):
·IEEE 802.3物理和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議;
·Ethernet TCP/IP協(xié)議組;
·控制和信息協(xié)議(CIP)，它提供實時的I/O報文和信息，以及對等層通信報文。
Ethernet/IP成功之處在于TCP/UDP/IP之上附加CIP，提供一個公共的應(yīng)用層，Ethernet/IP通信協(xié)議模型示于圖4。CIP的控制部分用于實時I/O報文或隱性報文。CIP的信息部分用于報文交換，也稱作顯示報文。Control Net、Device Net和Ethernet/IP都使用該協(xié)議通信，三種網(wǎng)絡(luò)分享相同的對象庫，對象和裝置行規(guī)(Device profile)使得多個供應(yīng)商的裝置能在上述三種網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)即插即用。對象的定義是嚴(yán)格的，在同一種網(wǎng)絡(luò)上支實時報文、組態(tài)和診斷。Ethernet/IP能夠用于處理多達(dá)每個包1500個字節(jié)的大批量數(shù)據(jù)，它以可預(yù)報方式管理大批量數(shù)據(jù)。目前，Ethernet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在快速發(fā)展，成本在迅速下降，因而Ethernet/IP得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
圖4 Ethernet/IP通信協(xié)議模型
(3) FF HSE工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)
1998年，美國Fieldbus Foundation(FF)決定采用高速以太網(wǎng)(HSE)技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，控制級以下仍使用解決了兩線制供電的H1現(xiàn)場總線，從而構(gòu)成了信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 FF HSE工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從圖5中可以看出，現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)H1以31.25kbps速度工作，支持過程控制應(yīng)用。HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范，并根據(jù)過程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無縫地進(jìn)行操作，因而FF HSE可以使用當(dāng)前流行的商用(COTS)以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓?fù)洳捎媒粨Q機(jī)構(gòu)成星形連接，這種交換機(jī)具有防火墻功能，以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3信號傳輸、標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備與交換機(jī)之間距離，使用雙絞線為100m，使用全雙工光纜則可達(dá)2000m。HSE使用連接裝置(bbbbing Device)連接H1子系統(tǒng)，LD履行網(wǎng)橋功能，它容許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場設(shè)備完成點對點等通信。HSE支持冗余通信，如果一條線路斷開，則數(shù)據(jù)流將立即移至后備線路傳送。采用冗余的交換機(jī)和連接裝置可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余與容錯，HSE上的任何設(shè)備都能作冗余配置。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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