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:
(一) 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IEEE802.3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;
(二) 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。
(4)北京合成网络技术有限公司为使国内工业以太网技术迅速与国际水平接轨,斥资推出了“工业以太网工程师认证(IEEC)”课程,并相继推出提高班课程,供国内广大工业自动化领域的工程师及工程管理人员学习提高。
(三) 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 |