工業(yè)以太網(wǎng)的最新發(fā)展
技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，即在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
與專門為工業(yè)控制而開發(fā)的現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與Internet連接，實(shí)現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；可持續(xù)發(fā)展的空間大等等。
雖然工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)要得到真正的應(yīng)用，還需要解決以下關(guān)鍵問題：
1．通信的確定性
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足對實(shí)時(shí)性的要求，即信號傳輸要速度快，確定性好。Ethernet過去一直被認(rèn)為是為PT領(lǐng)域開發(fā)的，采用了帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法的非確定性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過程，使用以太網(wǎng)技術(shù)可能由于沖突的產(chǎn)生，造成響應(yīng)時(shí)間不確定和信息不能按要求正常傳遞，這正是阻礙以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層的原因所在。
隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)的發(fā)展，為解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機(jī)：
首先，Ethernet的通信速率一再提高，從10M、100M增大到如今的1000M、1OG，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降，提高了網(wǎng)絡(luò)的確定性。
其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)之間通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，交換機(jī)可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸只在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，從而本地?cái)?shù)據(jù)傳輸不占其它網(wǎng)段的帶寬，降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
最后，采用全雙工通信方式。在一個(gè)用5類雙絞線（光纜）連接的全雙工交換式以太網(wǎng)中，其中一對線用來發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對線用來接收數(shù)據(jù)，這樣交換式全雙工以太網(wǎng)消除了沖突的可能，使Ethernet通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。
2.工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性和安全性
傳統(tǒng)的Ethernet是為辦公自動化的領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需要（如冗余電源供電、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正迅速得到解決。為了解決網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和極端條件下穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann, Phoenix Contact、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品并安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并配有冗余供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)，而在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn)行了定義。此外，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。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒的氣體，應(yīng)用于這些場合的設(shè)備都必須采用一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔爆技術(shù)相比較，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段，其關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在60～70 mA（5V工作電源），低功耗的以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)難以設(shè)計(jì)，因此，在目前技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)可采用隔爆防爆的措施，確?，F(xiàn)場設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄，保證運(yùn)行的安全性。
另外，工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了與Internet的無縫集成，實(shí)現(xiàn)了工廠信息的垂直集成，但同時(shí)也帶來了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全問題，包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅問題，對此，一般可采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等方法，將內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相隔離，另外，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。
3.統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議（互操作性）
互操作性是指連接在同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間，通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議可以進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換，這是開放系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。一般存在著這樣的誤解，即只要采用了工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)就能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作，事實(shí)并非如此。以太網(wǎng)僅僅映射到ISO/OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議卻以TCP（UDP）/IP協(xié)議為主。由于不存在統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，以太網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用程序是專用的，而不是開放的，因此設(shè)備之間還不能實(shí)現(xiàn)透明互訪。要解決這一問題，就必須在Ethernet+TCP（UDP）/IP協(xié)議之上，制定統(tǒng)一的、適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。同時(shí)也可參考IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層上增加用戶層。
典型的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)解決方案
目前，一些組織按照工業(yè)控制的要求，開發(fā)了適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層協(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)延伸至現(xiàn)場層。目前典型的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)有：EtherNet/IP、HSE、PROFINET、Modbus—IDA，下面就這些典型的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案進(jìn)行展開。
1．EtherNet/IP
1998年初，ControlNet國際組織CI開發(fā)了由ControlNet和Devicenet共享的、開放的和廣泛接受的基于 Ethernet的應(yīng)用層規(guī)范，利用該技術(shù)，CI、工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（IEA）和開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會（ODVA）于2000年3月發(fā)布了EtherNet/IP（以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）技術(shù)規(guī)范，旨在將這個(gè)基于EtherNet的應(yīng)用層協(xié)議作為自動化標(biāo)誰。EtherNet/IP技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片，并采用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將一組裝置點(diǎn)對點(diǎn)地連接至交換機(jī)，而在應(yīng)用層則采用已在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的開放協(xié)議——控制和信息協(xié)議CIP，CIP控制部分用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分用來實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的報(bào)文交換。EtherNet/IP的一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)10/100Mbps，因而能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。
Ethernet/IP的成功之處在于在TCP/UDP/IP上附加了CIP，提供了一個(gè)公共的應(yīng)用層，其通信協(xié)議如圖1所示。值得一提的是，CIP除了作為EtherNet/IP的應(yīng)用層協(xié)議外，還可以作為ControlNet和Devicenet的應(yīng)用層，三種網(wǎng)絡(luò)共享相同的對象庫，對象和用戶設(shè)備行規(guī)使得多個(gè)供應(yīng)商的裝置能在上述三種網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)即插即用。
圖1 EtherNet/IP 通信協(xié)議模型
2.FF HSE（高速以太網(wǎng)）
HSE（High Sneed Ethernet）是美國現(xiàn)場總線基金會FF對H1的高速網(wǎng)段的解決方案。HSE的規(guī)范于2000年3月發(fā)布，并于同年12月發(fā)布了alpha版本的HSE測試工具包（HTK）。 HTK的發(fā)布表明了HSE技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。
從FF HSE的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖2）中可見，現(xiàn)場層仍可使用FFH 1支持過程控制應(yīng)用，F(xiàn)F HSE采用鏈接設(shè)備（bbbbing devices）將遠(yuǎn)程H1網(wǎng)段的信息傳送到主干網(wǎng)上。這些信息可以通過以太網(wǎng)送到主控制室，并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP等管理系統(tǒng)中。
由此可見，F(xiàn)F HSE的核心部分就是鏈接設(shè)備，它是將H1 （31.25 Kps）設(shè)備連接到100Mbps的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。在FF HSE中，封裝工作是由鏈接設(shè)備完成的。一方面，它負(fù)責(zé)從所掛接的H1網(wǎng)段收集現(xiàn)場總線信息，然后把H1地址轉(zhuǎn)換成IPv4/IPv6的地址，這樣H1網(wǎng)段的數(shù)據(jù)就可以在TCP/IP/UDP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳送。另一方面，接收到TCP/IP/UDP信息的鏈接設(shè)備可以將IPv4/IPv6地址轉(zhuǎn)換為H1地址，將發(fā)往H1網(wǎng)段的信息放到現(xiàn)場目的網(wǎng)段中進(jìn)行傳送。HSE鏈接設(shè)備履行網(wǎng)橋的功能，能夠使不同H1網(wǎng)絡(luò)段上的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行對等通信。HSE也支持冗余通信，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)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，同時(shí)HSE上的任何設(shè)備都能作冗余配置。
圖3是FF HSE的通信協(xié)議模型，其物理層與數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議（100 Mbit/s），網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用TCP/IP/UDP，而在應(yīng)用層采用了現(xiàn)場設(shè)備訪問代理（FDA）,為HSE提供接口。用戶層包括功能塊、設(shè)備描述和網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理等功能。
3.PROFINET
PROFINET是PRPFIBUS國際組織提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)。在2001年8月發(fā)布的PROFINETV1.0，加強(qiáng)了以太網(wǎng)、TCP/UDP/IP以及微軟的DCOM、OPC和XML作用，而在2003年推出的PROFINETV2.0,將通過實(shí)時(shí)通道（旁路掉TCP/IP協(xié)議棧）加進(jìn)實(shí)時(shí)的功能，如圖4所示。實(shí)質(zhì)上，PROFINET=標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)十COM/DCOM+開放標(biāo)準(zhǔn)+Profibus。
圖4為PROFINET的通信協(xié)議，在不同的場合，支持不同的通信方式，即TCP/lP的標(biāo)準(zhǔn)通信；實(shí)時(shí)（RT）通信，應(yīng)用于實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間最少在5～10 ms的場合；同步實(shí)時(shí)（IRT）通信，用于伺服運(yùn)動控制場合的需要，所謂伺服運(yùn)動控制場合，是指在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，響應(yīng)時(shí)間低于1 ms，同步傳送和抖動小于1μs。
應(yīng)用代理設(shè)備（Proxy）可以將Profibus、INTERBUS等現(xiàn)場總線集成到PROFINET中，如圖5所示。由此可見，PROFINET的核心設(shè)備是代理設(shè)備，它將所掛接的設(shè)備抽象為COM服務(wù)器，設(shè)備之間的交互變成COM服務(wù)器之間的相互調(diào)用，這樣系統(tǒng)易于擴(kuò)展。
4. Modbus-IDA
IDA（Interface for Distributed Automation）組織是在德國成立的，致力于開發(fā)一種多廠商支持的基于以太網(wǎng)TCPAP的分布式智能通用通訊標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議原為美國Modicon公司PLC產(chǎn)品通信協(xié)議，后來由于其使用十分廣泛由Modbus組織于2002年發(fā)展為Modbus TCP/IP規(guī)范。
為了提高競爭力，上述兩大組織于2003年10月宣布合并為Modbus-IDA，形成單一的組織機(jī)構(gòu)，繼續(xù)這兩個(gè)組織在將通信服務(wù)、Web功能、互操作和安全集成在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之中的工作。
Modbus TCP/IP用簡單方式將Modbus幀嵌入TCP幀，是一種面向連接需要響應(yīng)的傳送。Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議模型如圖6所示，系統(tǒng)采用分級分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。管理級采用以太網(wǎng)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，完成用戶各種管理功能；控制級包括PLC、IPC、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裝置；嵌人式Web服務(wù)器使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器就可以讀取其各類信息和修改配置等。
結(jié)論
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，多家自動化公司已推出了自己的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。通過上述對典型的工業(yè)以太網(wǎng)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，每一種工業(yè)以太網(wǎng)都有其互補(bǔ)的現(xiàn)場總線，如EtherNet/IP與Devicenet和ControlNet互補(bǔ)；FFHSE與FF H1互手補(bǔ)；Modbus-IDA與MODBUS互補(bǔ)；PROFINET與Profibus互補(bǔ)等，而現(xiàn)場總線經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展是與現(xiàn)場總線相結(jié)合的。目前，在控制網(wǎng)絡(luò)中，一般是在設(shè)備層采用現(xiàn)場總線，在制造執(zhí)行層與設(shè)備層之間采用工業(yè)以太網(wǎng)，這樣既減少了用戶的投資風(fēng)險(xiǎn)，又保護(hù)了用戶的已有設(shè)備和技術(shù)投資。另外值得一提的是，工業(yè)以太網(wǎng)正逐漸向現(xiàn)場I/O擴(kuò)展，逐漸替代現(xiàn)場總線，如西門子推出的PROFINET I/O產(chǎn)品。
我國也在進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，EPA（Ethernet for Plant Automation）就是在國家“863”課題的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控和中科院沈陽自動化所等多家單位聯(lián)合攻關(guān)，在解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上起草的我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)以太網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)，它是從我國國情研發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)，相信在今后的工業(yè)控制領(lǐng)域占有一席之地。
與專門為工業(yè)控制而開發(fā)的現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與Internet連接，實(shí)現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；可持續(xù)發(fā)展的空間大等等。
雖然工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)要得到真正的應(yīng)用，還需要解決以下關(guān)鍵問題：
1．通信的確定性
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足對實(shí)時(shí)性的要求，即信號傳輸要速度快，確定性好。Ethernet過去一直被認(rèn)為是為PT領(lǐng)域開發(fā)的，采用了帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法的非確定性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過程，使用以太網(wǎng)技術(shù)可能由于沖突的產(chǎn)生，造成響應(yīng)時(shí)間不確定和信息不能按要求正常傳遞，這正是阻礙以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層的原因所在。
隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)的發(fā)展，為解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機(jī)：
首先，Ethernet的通信速率一再提高，從10M、100M增大到如今的1000M、1OG，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降，提高了網(wǎng)絡(luò)的確定性。
其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)之間通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，交換機(jī)可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸只在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，從而本地?cái)?shù)據(jù)傳輸不占其它網(wǎng)段的帶寬，降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
最后，采用全雙工通信方式。在一個(gè)用5類雙絞線（光纜）連接的全雙工交換式以太網(wǎng)中，其中一對線用來發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對線用來接收數(shù)據(jù)，這樣交換式全雙工以太網(wǎng)消除了沖突的可能，使Ethernet通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。
2.工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性和安全性
傳統(tǒng)的Ethernet是為辦公自動化的領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需要（如冗余電源供電、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正迅速得到解決。為了解決網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和極端條件下穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann, Phoenix Contact、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品并安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并配有冗余供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)，而在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn)行了定義。此外，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。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒的氣體，應(yīng)用于這些場合的設(shè)備都必須采用一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔爆技術(shù)相比較，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段，其關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在60～70 mA（5V工作電源），低功耗的以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)難以設(shè)計(jì)，因此，在目前技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)可采用隔爆防爆的措施，確?，F(xiàn)場設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄，保證運(yùn)行的安全性。
另外，工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了與Internet的無縫集成，實(shí)現(xiàn)了工廠信息的垂直集成，但同時(shí)也帶來了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全問題，包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅問題，對此，一般可采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等方法，將內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相隔離，另外，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。
3.統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議（互操作性）
互操作性是指連接在同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間，通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議可以進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換，這是開放系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。一般存在著這樣的誤解，即只要采用了工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)就能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作，事實(shí)并非如此。以太網(wǎng)僅僅映射到ISO/OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議卻以TCP（UDP）/IP協(xié)議為主。由于不存在統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，以太網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用程序是專用的，而不是開放的，因此設(shè)備之間還不能實(shí)現(xiàn)透明互訪。要解決這一問題，就必須在Ethernet+TCP（UDP）/IP協(xié)議之上，制定統(tǒng)一的、適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。同時(shí)也可參考IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層上增加用戶層。
典型的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)解決方案
目前，一些組織按照工業(yè)控制的要求，開發(fā)了適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層協(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)延伸至現(xiàn)場層。目前典型的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)有：EtherNet/IP、HSE、PROFINET、Modbus—IDA，下面就這些典型的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案進(jìn)行展開。
1．EtherNet/IP
1998年初，ControlNet國際組織CI開發(fā)了由ControlNet和Devicenet共享的、開放的和廣泛接受的基于 Ethernet的應(yīng)用層規(guī)范，利用該技術(shù)，CI、工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（IEA）和開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會（ODVA）于2000年3月發(fā)布了EtherNet/IP（以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）技術(shù)規(guī)范，旨在將這個(gè)基于EtherNet的應(yīng)用層協(xié)議作為自動化標(biāo)誰。EtherNet/IP技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片，并采用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將一組裝置點(diǎn)對點(diǎn)地連接至交換機(jī)，而在應(yīng)用層則采用已在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的開放協(xié)議——控制和信息協(xié)議CIP，CIP控制部分用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分用來實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的報(bào)文交換。EtherNet/IP的一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)10/100Mbps，因而能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。
Ethernet/IP的成功之處在于在TCP/UDP/IP上附加了CIP，提供了一個(gè)公共的應(yīng)用層，其通信協(xié)議如圖1所示。值得一提的是，CIP除了作為EtherNet/IP的應(yīng)用層協(xié)議外，還可以作為ControlNet和Devicenet的應(yīng)用層，三種網(wǎng)絡(luò)共享相同的對象庫，對象和用戶設(shè)備行規(guī)使得多個(gè)供應(yīng)商的裝置能在上述三種網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)即插即用。
圖1 EtherNet/IP 通信協(xié)議模型
2.FF HSE（高速以太網(wǎng)）
HSE（High Sneed Ethernet）是美國現(xiàn)場總線基金會FF對H1的高速網(wǎng)段的解決方案。HSE的規(guī)范于2000年3月發(fā)布，并于同年12月發(fā)布了alpha版本的HSE測試工具包（HTK）。 HTK的發(fā)布表明了HSE技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。
從FF HSE的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖2）中可見，現(xiàn)場層仍可使用FFH 1支持過程控制應(yīng)用，F(xiàn)F HSE采用鏈接設(shè)備（bbbbing devices）將遠(yuǎn)程H1網(wǎng)段的信息傳送到主干網(wǎng)上。這些信息可以通過以太網(wǎng)送到主控制室，并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP等管理系統(tǒng)中。
由此可見，F(xiàn)F HSE的核心部分就是鏈接設(shè)備，它是將H1 （31.25 Kps）設(shè)備連接到100Mbps的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。在FF HSE中，封裝工作是由鏈接設(shè)備完成的。一方面，它負(fù)責(zé)從所掛接的H1網(wǎng)段收集現(xiàn)場總線信息，然后把H1地址轉(zhuǎn)換成IPv4/IPv6的地址，這樣H1網(wǎng)段的數(shù)據(jù)就可以在TCP/IP/UDP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳送。另一方面，接收到TCP/IP/UDP信息的鏈接設(shè)備可以將IPv4/IPv6地址轉(zhuǎn)換為H1地址，將發(fā)往H1網(wǎng)段的信息放到現(xiàn)場目的網(wǎng)段中進(jìn)行傳送。HSE鏈接設(shè)備履行網(wǎng)橋的功能，能夠使不同H1網(wǎng)絡(luò)段上的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行對等通信。HSE也支持冗余通信，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)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，同時(shí)HSE上的任何設(shè)備都能作冗余配置。
圖3是FF HSE的通信協(xié)議模型，其物理層與數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議（100 Mbit/s），網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用TCP/IP/UDP，而在應(yīng)用層采用了現(xiàn)場設(shè)備訪問代理（FDA）,為HSE提供接口。用戶層包括功能塊、設(shè)備描述和網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理等功能。
3.PROFINET
PROFINET是PRPFIBUS國際組織提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)。在2001年8月發(fā)布的PROFINETV1.0，加強(qiáng)了以太網(wǎng)、TCP/UDP/IP以及微軟的DCOM、OPC和XML作用，而在2003年推出的PROFINETV2.0,將通過實(shí)時(shí)通道（旁路掉TCP/IP協(xié)議棧）加進(jìn)實(shí)時(shí)的功能，如圖4所示。實(shí)質(zhì)上，PROFINET=標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)十COM/DCOM+開放標(biāo)準(zhǔn)+Profibus。
圖4為PROFINET的通信協(xié)議，在不同的場合，支持不同的通信方式，即TCP/lP的標(biāo)準(zhǔn)通信；實(shí)時(shí)（RT）通信，應(yīng)用于實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間最少在5～10 ms的場合；同步實(shí)時(shí)（IRT）通信，用于伺服運(yùn)動控制場合的需要，所謂伺服運(yùn)動控制場合，是指在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，響應(yīng)時(shí)間低于1 ms，同步傳送和抖動小于1μs。
應(yīng)用代理設(shè)備（Proxy）可以將Profibus、INTERBUS等現(xiàn)場總線集成到PROFINET中，如圖5所示。由此可見，PROFINET的核心設(shè)備是代理設(shè)備，它將所掛接的設(shè)備抽象為COM服務(wù)器，設(shè)備之間的交互變成COM服務(wù)器之間的相互調(diào)用，這樣系統(tǒng)易于擴(kuò)展。
4. Modbus-IDA
IDA（Interface for Distributed Automation）組織是在德國成立的，致力于開發(fā)一種多廠商支持的基于以太網(wǎng)TCPAP的分布式智能通用通訊標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議原為美國Modicon公司PLC產(chǎn)品通信協(xié)議，后來由于其使用十分廣泛由Modbus組織于2002年發(fā)展為Modbus TCP/IP規(guī)范。
為了提高競爭力，上述兩大組織于2003年10月宣布合并為Modbus-IDA，形成單一的組織機(jī)構(gòu)，繼續(xù)這兩個(gè)組織在將通信服務(wù)、Web功能、互操作和安全集成在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之中的工作。
Modbus TCP/IP用簡單方式將Modbus幀嵌入TCP幀，是一種面向連接需要響應(yīng)的傳送。Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議模型如圖6所示，系統(tǒng)采用分級分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。管理級采用以太網(wǎng)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，完成用戶各種管理功能；控制級包括PLC、IPC、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裝置；嵌人式Web服務(wù)器使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器就可以讀取其各類信息和修改配置等。
結(jié)論
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，多家自動化公司已推出了自己的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。通過上述對典型的工業(yè)以太網(wǎng)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，每一種工業(yè)以太網(wǎng)都有其互補(bǔ)的現(xiàn)場總線，如EtherNet/IP與Devicenet和ControlNet互補(bǔ)；FFHSE與FF H1互手補(bǔ)；Modbus-IDA與MODBUS互補(bǔ)；PROFINET與Profibus互補(bǔ)等，而現(xiàn)場總線經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展是與現(xiàn)場總線相結(jié)合的。目前，在控制網(wǎng)絡(luò)中，一般是在設(shè)備層采用現(xiàn)場總線，在制造執(zhí)行層與設(shè)備層之間采用工業(yè)以太網(wǎng)，這樣既減少了用戶的投資風(fēng)險(xiǎn)，又保護(hù)了用戶的已有設(shè)備和技術(shù)投資。另外值得一提的是，工業(yè)以太網(wǎng)正逐漸向現(xiàn)場I/O擴(kuò)展，逐漸替代現(xiàn)場總線，如西門子推出的PROFINET I/O產(chǎn)品。
我國也在進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，EPA（Ethernet for Plant Automation）就是在國家“863”課題的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控和中科院沈陽自動化所等多家單位聯(lián)合攻關(guān)，在解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上起草的我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)以太網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)，它是從我國國情研發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)，相信在今后的工業(yè)控制領(lǐng)域占有一席之地。
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