1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個方面：
1.1 通信確定性與實時性
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠的快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡(luò)負荷較大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時通信的實時性要求，一直被視為非確定性的網(wǎng)絡(luò)。
然而，快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應(yīng)用成為可能。首先，Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今的1 000M、10G，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)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段。Ethernet交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。
1.2 穩(wěn)定性與可靠性
Ethernet進入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計（如冗余直流電源輸入、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，上述問題正在迅速得到解決。為了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，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、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)在2002年6月推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品—MOXA EtherDevice Server（工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器），特別設(shè)計用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備（如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。
最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外，在實際應(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)，以此提高網(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
由于工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計算與操作功能，由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(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“事實上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對較高的層次如會話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計算機設(shè)備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、bbbnet（遠程登錄協(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)議進行信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信。
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，制定有效的實時通信服務(wù)機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務(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，進而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。為此，各現(xiàn)場總線組織紛紛將以太網(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，從而構(gòu)成了所謂的工業(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)場總線基金會在摒棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位成實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。由HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況?，F(xiàn)場設(shè)備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò)獲得控制信息。
HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+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)用進程規(guī)范，并通過鏈接設(shè)備(bbbbing Device)將FF H1網(wǎng)絡(luò)連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設(shè)備同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，它的網(wǎng)橋功能能用來連接多個H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能夠進行對等通信而無需主機系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機可以與所有的鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接的H1設(shè)備進行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠程的現(xiàn)場設(shè)備，并接收來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)監(jiān)控和報表功能。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，提出了基于以太網(wǎng)的PROFInet，它主要包含3方面的技術(shù)：① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統(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 提供了一個包括設(shè)備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(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)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設(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對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。
(3) Ethernet/IP
Ethernet/IP（以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）是主推ControlNet現(xiàn)場總線的Rockwell Automation公司對以太網(wǎng)進入自動化領(lǐng)域做出的積極響應(yīng)。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接，能同時支持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 Inbbbbation Protocol)等3個部分組成，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ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現(xiàn)信息的對等傳輸，其控制部分用來實現(xiàn)實時I/O通信，信息部分則用來實現(xiàn)非實時的信息交換。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|