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浅谈工业以太网
lxw19881017 发表于 2012/8/16 22:08:50 1243 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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新型的工业计算机网络如新型集散控制系统（DCS）、现场总线（Fieldbus ）、工业以太网（Industrial Ethernet）以及计算机集成制造（CIMS）的出现，深刻地影响着自动化技术的发展。对于现场总线来说，由于各大公司的利益原因，现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开放性远未达到。随着技术的发展，企业要求工业网络从现场控制层到管理层实现全面的信息集成，并提供一个开放的基础构架，用户也希望不同厂家的产品能按同一种总线标准直接互连、互用和互可操作，这时传统以太网逐渐进入了控制领域，虽然现在仍然还没有达到统一的阶段。
2 工业控制领域引入以太网的原因
Ethernet作为一种成功的网络技术,在办公自动化和工业界获得了广泛地应用。因为Ethernet具有成本低、稳定和可靠等诸多优点,已经成为最受欢迎的通信网络之一。然而, 由于Ethernet 的MAC 层协议是CSMA/ CD ,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟,使之无法在工业控制中得到有效地使用。
随IT技术的发展 Ethernet 的发展也取得了本质性的飞跃,先后产生高速Ethernet 和千兆Ethernet 产品和国际标准,以及即将出现的十千兆Ethernet 产品和国际标准。针对排队延迟不确定性,Ethernet 又增加了双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性。同时又改进了容错技术。Ethernet 的新变化,已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视,
在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足要求。集散控制系统和其后出现的现场总线控制系统就是顺应这一趋势发展起来的技术。但是，1999年现场总线技术标准IEC-61158出台，8种现场总线都成为IEC的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通信标准。因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题。以太网的应用广泛，价格低廉、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等优点，于是成为首选的目标。
首先，基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。
其次，低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。
第三，以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。
第四，以太网易与Internet连接。任何地方都可以通过Internet对企业生产进行监视控制;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化.
3 以太网应用作现场存在的主要问题
工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网络。
但在产品设计时，在实时性、可靠性、环境的适应性等方面
3.1 确定性
由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。
3.2 实时性
在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十ms内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。
3.3 可靠性
由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。
3.4 总线供电问题
总线供电是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。以太网的供电问题，多年来一直是以太网的一个缺陷。特别是随着IP电话、ＩＰ摄像机。无线接入点等系统的需求，更提出以太网在传输数据的同时，传送部分能量，以满足小型网络设备用电的需求。对于现场设备供电可以采取以下方法：（１）在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼切斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。（２）不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。
３.5 缺乏应用于控制领域的应用层协议
以太网标准仅仅定义了ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上TCP/IP协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是FTP，Telnet，SMTP，HTTP等。这些协议所规定的数据结构等特性不适合工业控制现场设备之间的实时通信。因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议。
4 以太网工业应用解决机制
针对以太网存在的四大缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，目前已采用多种方法来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。下面介绍几种解决机制：
4.1 交换技术
为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，可以使用以太网交换机（switch）。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提高系统的确定性，但该方法成本较高，在分配和缓冲过程中存在一定的延时。
4.2 高速以太网
我们知道当网络中的负载越大的时候，发生冲突的慨率也就越大。有资料显示当一个网络的负菏低于36%时，基本上不会发生冲突，在负荷为10%以下时，10M以太网冲突机率为每五年一次。100M以太网冲突机率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的慨率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已经出现通信速率达100M/S，1G/S的高速以太网，在加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。
4.3 IEEE1588对时机制
IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议（PTP）。此协议并不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足要求。这使得它尤其适用于基于以太网的系统。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。在区域总线中它所达到的精度远远超过了现有各种系统。此外，在企业的各层次中使用基于以太网TCP/IP协议的网络技术有着巨大的优势。
一个包括IEEE1588对时机制的简单系统至少包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多个潜在的主时钟，那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。所有的时钟不断地与主时钟比较时钟属性，如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网络断开，则其他时钟会重新决定主时钟。如果多个PTP子系统需要互联，则必须由边界时钟来实现。边界时钟的某个端口会作为从属端口与子系统相联，并且为整个系统提供时钟标准。因此这个子系统的主时钟是整个系统的原主时钟。边界时钟的其他端口会作为主端口，通过边界时钟的这些端口将同步信息传送到子系统。边界时钟的端口对子系统来说是普通时钟。
IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，现在已经有许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准，这样他们的产品之间也可以保证很好的同步性。
4.4 主流应用层协议-工业以太网协议
由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有HSE EtherNet/IP, ProfiNet, MODBUS/TCP等。
HSE是基金会现场总线FF于2000年发布的工业Ethernet规范，是以太网协议IEEE802.3,TCP/IP协议族和FF H1的结合体。FF现场总线基金会将HSE定位于实现控制网络与Internet的集成。由HSE连接设备将H1网段信息传送到以太网的主干网上，这些信息可以通过互连网送到主控室，并进一步送到企业的EPP和管理系统。操作员可以在主控室直接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。
EtherNet/IP是美国罗克韦尔公司于2000年发布的工业Ethernet规范，它很好地采用了当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。IP代表Industrial Protocol,以此来与普通的以太网进行区分。它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效的方法，允许工业现场设备交换实时性强的数据。EtherNet/IP模型由IEEE802. 3标准的物理层和数据链路层、以太网TCP/IP协议和控制与信息协议CIP三部分组成。CIP是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连接的协议，CIP有两个主要目的，一是传输同1/O设备相联系的面向控制的数据，二是传输其它同被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。CIP协议规范主要由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表、信息管理等组成。
ProfiNet是德国西门子公司于2001年发布的工业Ethernet的规范。该规范主要包括三方面的内容:1）基于组件对象模型（COM）的分布式自动化系统;2）规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间开放透明通信;3）提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。ProfiNet的基础是组件技术，在ProfiNet中，每一个设备都被看成一个具有COM接口的自动化设备，同类设备都有相同的COM接口。在系统中可以通过调用COM接口来调用设备功能。组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间可以混合使用，简化了编程。每一个智能设备都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程来实现。同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口。为不同厂家的设备之间提供了良好的互换性和互操作性。
MODBUS/TCP协议是法国施奈德公司1999年公布的协议，以一种非常简单的方式将MODBUS帧嵌入到TCP帧中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼叫/应答的机制与MODBUS的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。施耐德公司已经为MODBUS注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌人Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。
我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准EPA在国际标准化工作中取得了重大突破，已通过IEC/SC65C会员国家的投票被IEC发布为IEC/PAS
62409标准化文件作为第10类型列入实时以太网国际标准IEC 61784-2 并将收录为现场总线国际标准IEC 61158第四版，成为中国第一个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准。
综上所述，通过对于现有的以太网技术进行改进，王权可以避免以太网在实时性、确定性以及抗干扰等方面的问题;通过新的工业标准制定，可以拓展以太网的功能，今后也可能会成为一种新的控制网络
5 工业以太网的前景
以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。过程控制工业和自动化工业,从嵌入式系统到现场总线控制系统,都认识到了以太网和TCP/IP 的重要性,以太网和TCP/
IP 作为世界上最为广泛应用的网络协议,它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/ IP 协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/ O 模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接,而无需任何专用设备。因此可以说,工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台,从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21 世纪未来工业网络的首选,它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景。
6 结语
工业以太网以其自身的优势必然会有很好的应用前景，我们应该充分利用信息网络的已有的成熟技术和可用的新技术来改善工业以太网的性能，加快工业以太网的研究和应用。