基于以太网的系统设计

: wqshand

2007-06-25

基于以太网的系统设计
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陈浩　林家骏

陈浩先生，上海机电工程研究所高级工程师；林家骏先生，教授。

关键词：工业以太网　控制　系统

一工业以太网的概念

　　目前工业以太网已从信息层渗透到控制层和设备层，开始成为现场控制网络的一员。如果把和工业控制有关的以太网内容都考虑的话，则可把工业以太网的概念延伸开去，使之具有广义性。按照以太网在控制领域的应用现状，可以归纳为3个方面：
　　(1)与其他控制网络结合的以太网
　　以太网正逐步向现场级深入发展，并尽可能和其他形式的网络融合，这是工业以太网所面临的重要课题。但以太网和TCP/IP协议原本就不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、适用环境等诸多方面与成熟的自动化解决方案(如PLC、DCS、FCS)相比有很大差异，要想做到完全意义上的融合是很困难的。因此，其他控制形式与以太网保留各自优点、互为补充，是目前以太网进入控制领域的最常见的应用方案。
　　(2)专用的工业以太控制网络
　　且把它视作狭义的工业以太网，采用了和普通以太网不同的一些专有技术，用以太网的结构实现现场总线所具备的控制功能。传统以太网采用总线式拓扑结构和CSMA/CD通信控制方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这个现象被称为以太网的不确定性。这是影响以太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一，真正意义上的工业以太网应该能很好地解决实时性的问题。
　　此外，尽管工业以太网与普通以太网一样符合IEEE802.3标准，但是由于工业以太网设备的工作环境与办公环境存在较大差别，所以工业以太网设备要求能工作在较宽温度范围内、封装牢固(抗振和防冲击)、导轨安装、电源冗余、24VDC供电等。另外，用以太网完成控制网络解决方案必须满足可靠性方面的需要。
　　(3)嵌入式以太网控制
　　随着信息技术的发展，楼宇、工厂乃至家庭都开始大量安装以太网来共享信息，这些通用以太网灵活方便，费用低廉，与Internet自然结合。因为Internet的原因，这一类结构将肯定获得快速的增长。
　　嵌入式Internet是当前网络应用的热点，就是通过Internet，使所有连接网络的设备彼此互通互联：从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。这些设备一般通过局域网和Internet相连，而不会直接拨号上网。在以太网占局域网统治地位的今天，一种嵌入式的、支持TCP/IP的网络控制器将成为这些设备进入局域网乃至因特网的基础。但这种由普通以太网构成的局域网在应用层上不能满足实时通信、复杂的工程模型组态以及设备间的高可互操作性，也不能满足工业现场某些方面的特殊要求，如本质安全、恶劣环境、可靠性等。它主要是使通用以太网能接纳带串行通信口的现场设备，达到数据采集和监控的目的。

二工业以态网控制系统的3种设计方案

1. 以太网与控制网络的集成系统

　　企业网络一般包含处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络一般处于企业中上层，处理大量的变化多样的信息，具有高速、综合的特征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场信息，具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。
　　因此，企业网络是控制网络与信息网络的集成，实现集成、统一的企业网络成为企业综合自动化与信息化的努力目标。
　　按照这个目标，可以在以太网基础上将控制网络与信息网络统一构建，设计一种混合控制的网络结构，典型系统如图1所示。
　　该系统由现场总线、PLC、嵌入式控制系统、工业控制计算机、工作站、数据库服务器、文件服务器、网关设备、交换式以太网组成。根据混合程度和控制功能的强弱，其具体的物理结构和实现存在很大的差异。
　　系统以交换式集线器或网络交换机为中心，包括数据库服务器和文件服务器，采用星型拓扑结构。
　　以太网络交换机有10Mb/s、25Mb/s和100Mb/s等带宽端口，一般通过100Mb/s的网络交换机端口连到服务器，以满足工业PC、PLC、嵌入式控制器、工作站等频繁访问服务器时对网络宽带的要求。监视工作站用于监视控制网络工作状态，如要求监视工作站具有多媒体功能，可接入25Mb/s端口。控制设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场总线控制网络、PLC、嵌入式控制系统等。一般的工业控制计算机系统通过以太网卡接入网络交换机或交换式集线器；现场总线控制网络通过数据网关与以太控制网络互联；PLC的接入有两种情况：(1)带有以太网卡的PLC可通过以太网接入网络　交换机或交换式集线器；(2)普通不带有以太网卡的PLC要通过RS-485/232转换，然后由工业计算机自带的以太网卡接入网络交换机或交换式集线器。高速控制设备可通过25Mb/s端口接入；一般控制设备，数量较多，可接入10Mb/s交换式　集线器端口。
　　当控制网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的网络。每一个交换式集线器及控制设备构成相对独立的控制子网，若干个控制子网互联组成规模较大的控制网络。

2. 专用工业以太网

　　a. 对于以太网不确定性的改进
　　传统以太网采用总线式拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA/CD)通信方式。在实时性要求较高的场合下，因为信道竞争和碰撞，数据的传输可能会产生延滞。一般认为以太网的这种“不确定性”导致它不能满足控制系统的实时性要求。虽然以太网本质上不是一个确定型的网络，但对以太网的研究表明，采用以下措施能有效地改进确定性：
　　(1)采用快速以太网加大网络带宽
　　通过采用提高带宽、限制总线上站点数目、控制网络流量等措施后，在相同通信量的条件下，可以使总线型网络保持在轻负载工作条件下。因而减少了因竞争信道而引起的碰撞，相应地提高了实时性，也提高了网络通信的确定性。
　　(2)采用交换式以太网
　　用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并且竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可实现全双工通信，提高信道的利用率。
　　据估算，在共享型以太网中，当负载在10％以下时，网络可以保持确定性，这个数据对应于10M和100M的网络分别意味着120kb/s和1200kb/s的传输速度。而采用交换式以太网后，负载可上升到50%，传输速度可达600kb/s和6000kb/s。交换式以太网有效避免了碰撞域，从而显著提高传输效率。
　　但网络带宽不是无限的，且交换式以太网中仍存在着端口竞争，碰撞和等待现象没能彻底消除。针对这个问题，一些厂商开发出一些独到的技术手段运用到以太网上，改造出自己的专用网络。这些技术包括：(a)采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。这种智能化的集线器还可动态检测需要通信的现场设备所在的以太网I/O接口，通过分配地址空间把内部通信从外部通信中分离开来，保持现场控制信息的独立性；(b)实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，保证实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞；(c)在以太网的协议中加入实时功能，通过底层协议的集成，确保以太网的确定性和兼容性。
　　b. 有效提高以太网可靠性的相关措施
　　(1)以太网工业级部件已相继出现。西门子、斯达康等公司都相继推出工业以太网系列产品;
　　(2)由于以太网的失败重发机制，要彻底解决以太网中单点故障扩散现象从理论上讲是不太可能的，但是可通过采用一些措施尽可能减少该现象，以提高整个系统的可靠性：(a)采取冗余配置。通信网络和节点的通信器件采用冗余配置和自动无扰切换，其前提是具有有效的故障诊断手段；(b)在可能的情况下配置一个实时网络监控软件，不断监视整个网络的通信状况以及每一个节点的软硬件工作情况，一旦发现异常，应能迅速将故障节点隔离开来，并做出相应报警。
　　c. 关于应用层协议
　　当以太网用于信息技术时，应用层包括HTTP、FTP、SNMP等常用协议。但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。目前还没有统一的应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应产品的有Rockwell和ODVA开发的Ethernet/IP、FF开发的HSE、Schneider开发的Modbus/TCP以及受Simense公司支持的由Profibus Interna-tional组织的Profinet。
　　d. 专用工业以太网实例
　　美国Optimation公司E-Control系统(易控系统)是由Optimation公司的OptiLogic以太网控制器和Think＆Do软件为核心，结合配套的硬件模块、网络和布线模块等构成集成工业自动控制系统。它采用特殊的主从传输协议，相关的I/O连接在独立网络上(不与普通办公网络相连)，如同完全确定的控制网络一样地工作，其响应速度远远超过普通以太网。OptiLogicRTU以太网控制器的基架母板带1个以太网接口、1个标准RS-232接口、以及不同数目的I/O模块插槽、I/O测控模块可直接插到相应的槽中。每个OptiLogic以太网控制器可配置多个功能齐全的I/O模块，如DI(遥信)、DO(遥控)、AI(遥测)、AO(遥调)、高速计数、双串口通信等，经过RS-232/485转换器也可直接连接设备。
　　某化工企业自动包装车间设计的现场控制系统采用了易控方案。根据设计需求，系统采用了12块高速脉冲计数输入模块(OL2258)，2块8通道4～20mA模拟输入模块(OL2418)，3块8点DC输入模块(OL2208)，2块8点继电器输出模块　(OL2l08)，5块OL2304四通道电压输出模块(各通道独立)，加上OptiLogic以太网控制器和Think＆Do软件、交换式智能集线器，组成E-Control系统。
　　因为系统对可靠性要求很高，为防止主计算机的偶尔故障导致系统工作瘫痪，设计使用双冗余计算机，2台工业计算机配备同样的Think＆Do控制软件，除同时接入以太网外，还在2台计算机间连接1个串口电缆(不占用网络)，2台计算机利用此串口能互相监视对方是否工作正常。
　　其中l台运行全部程序，作为主计算机，主计算机的网卡会被激活，同整个控制系统交换信息；另l台处于热备份状态，称为从计算机，从计算机的网卡则被禁止，仅监视主计算机是否工作正常。一旦“从计算机”发现“主计算机”不能正常工作，则立即运行主程序，变成“主计算机”，另1台计算机则在故障恢复后成为“从计算机”，并互相继续监视对方。2台计算机中只有1台计算机的网卡被激活的原因是2台计算机共用1个IP地址，从而实现数据传输的唯一性。
　　根据以上配置，共需要采用24块I/O模块。由于OptiLogic以太网控制器的机架最多为8个I/O模块插槽，所以选用3个8槽RTU基架(OL4058)，并配置相应操控面板。
　　3个8槽RTU机架、2台工业PC和1台网络打印机共6个节点构成车间子网络，使用1个3COM公司的8端口交换机。系统结构如图2所示。6个网络设备和交换机构成星形拓扑结构。此系统易于扩充，安装测试方便。若需增加I/O测控，只要增加OptiLogic以太网控制器，插入相应I/O模块，然后用直通电缆连接到交换机的端口即可。
　　不仅如此，该车间子网更可以作为下层控制网络连接到上层以太网中，工业PC作为站控单元出现，变成一个控制工作站。
　　Think＆Do控制软件最大的特点是具有突出的网络数据库共享能力——TagLink。TagLink功能是一种通信接口，无须开发，即可通过10M/100M以太网使多台装有Think＆Do软件的控制计算机互相通信，共享统一的编程开发环境和统一、全局的控制数据库。无论I/O节点在什么地方，属于哪台控制计算机管理，其他计算机上都可获取其信息，如同自己的I/O信息表一样。Think＆Do软件系统既可工作在站控单元内，也可作为上位主机控制软件。虽然各台计算机通过10M工业以太网和OptiLogicRTU执行I/O控制逻辑，但整个控制系统却如同在一台计算机上运行。
　　易控方式打破了原先孤岛式的站控系统，使全局I/O连成整体，其优点是不言而喻的。

3. 基于通用以太网的控制系统

　　建立在普通以太网基础上的控制功能相对于现场总线和实时以太网来说明显较弱，但因为这种系统充分利用普通以太网进行数据采集和监控等工作，具有相当广泛的应用范围，因此得到了很快发展。
　　该类系统由系列化的模块组成，通常采用便携式产品，也有一部分使用板卡形式。核心模块是能独立编程并运行的智能嵌入式控制器，完成TCP/IP协议转换与通信控制功能。除此之外，这些模块还包括I/O数据采集、RS-232与RS-422/485转换、专用I/O扩展总线板卡、输入及输出终端设备。
　　台湾泓格科技(ICP DAS)的牛顿模块系列产品颇具代表性。I-7188系列嵌入式控制器是牛顿模块的核心，其一般由1个10Base-T以太网口结合若干个COM通信口和数字I/O口组成，可将串口设备、RS-485网络和以太网连成一体，加上I-7000系列远端I/O控制模块，就能组成基于通用以太网基础上的监控平台。
　　以7188系列中的两代产品7188EN/EX为核心设计的以太网监控平台如图3所示。通过I-7188控制器、各种串口设备、RS-485网络和PLC设备等都可连接到以太网上，并通过网络进行控制和数据传送。
　　I-7188EN与I-7188EX作为嵌入式网络控制器都支持TCP/IP协议簇，I-7188EN面向网络通信，I-7188EX则侧重于设备控制，因此I-7188EN比I-7188Ex有更多的RS-232/RS-485通信口，但省去了RTC实时钟电路单元，并且减少了SRAM、NVRSRAM和Flash Memory的容量。这种嵌入式以太网控制器使用40M的80188CPU和独立的Mini0S7操作系统，与常　规的DOS相比，Mini0S7更适于嵌入式应用。
　　可以通过串口或网络接口对控制器进行远程设置，装载各种程序。有了这种控制器，可轻松地将各种具备RS-232/485/422接口的设备接入以太网，为它们分配地址或网络端口，并能完成数据和协议的转换。于是主机通过以太网就能方便地对不同设备实行各种数据采集和监控。

三以太网能否取代现场总线技术成为统一的工业网络标准

1. 预测未来是最艰难的事

　　现场总线是专为工业现场层设备通信设计，是为自动化量体裁衣的技术。以太网设计初衷是办公网，用于数据处理。从技术比较出发似乎很容易得出结论，但技术发展受社会政治、经济影响，市场因素很大程度左右技术走向，回顾计算机发展历史，这种先例不胜枚举。因此，以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术，特别是采用TCP/IP协议可与互联网Internet连接，是未来eManufactory的技术基础。在设备层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也可以有部分市场，但在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。

2. 一体化与多元化并存

　　面对这样一个多种工业总线技术并存的现状，我们应该有一个豁达的心态。哲学家告诉我们，一体化与多元化是一对互为依存的矛盾，将长时间共存与竞争；以太网反映了人们要求技术标准化、一体化的愿望，而现实是不能用一种技术覆盖各行业所有的不同需求。IEC61158的发展历程就给了我们一个深刻的启示，我们必须学会面对一个多种工业总线技术竞争和共存的现实世界。

3. 可能的解决方案

　　在面对具体问题时如何作出选择呢？我们认为，就事论事是明智之举。简单地说，项目最适合使用什么技术就采用什么技术。
　　a. 车间级生产信息集成更适合使用以太网
　　理由如下：(1)多数加工设备具有RS-232C接口：如条码机，专用设备；(2)实时性、确定性、可靠性要求不高；(3)与上层网络的信息规范和软件接口兼容。
　　b. 设备级控制优先选用现场总线技术
　　理由如下：
　　(1)实时性、确定性、可靠性要求；
　　(2)专用性：如需要严格同步的运动控制采用Sercos，Profibus-DPV2；
　　(3)可靠性：工业级的传输层增强系统可靠性；
　　(4)现场总线技术种类、产品繁多，能够提供各种成本的解决方案。
　　c. 其他
　　根据技术要求，就事论事地选择解决方案。

四结束语

　　因为工业以太网作为控制网络中的新生力量，本身在某些技术上需要很大改进，加上其未来发展趋势不是很明朗，以至于存在两种不同的观点：一种认为工业以太网将使控制网络走向统一；另一种则认为工业以太网不过是传统控制网络的补充，其最大的发展余地只是控制网络的上层网，充当一种集成公用网的角色，而不是直接面向现场控制领域。笔者认为：以太网可从不同途径进入控制领域，虽然有很多产品已使以太网直接走进控制现场，但其应用主流仍以一种信息网络方式出现，作为一体化的网络控制形式还任重而道远。

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