步入控制領域的工業(yè)以太網

幾年前，當現場總線大戰(zhàn)硝煙正濃時，傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)的以太網卻悄悄地進入了控制領域。近來以太網更是走向前臺，發(fā)展迅速，頗引人注目。究其原因，是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展，其中，通信已成為關鍵，用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網絡的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架，但目前的現場總線尚不能滿足這些要求。應該說，現場總線的出現確實給工業(yè)自動化帶來一場深層次的革命，但多種現場總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實現高速的實時數據傳輸，信息網絡存在協(xié)議上的鴻溝導致出現“自動化孤島”等，促使人們開始尋求新的出路，并關注到以太網。以太網有以下優(yōu)點：

(1)具有相當高的數據傳輸速率(目前已達到100Mb/s)，能提供足夠的帶寬;

(2)由于具有相同的通信協(xié)議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術)世界;

(3)能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網絡平臺或基礎構架;

(4)在整個網絡中，運用了交互式和開放的數據存取技術;

(5)沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具，成為事實上的統(tǒng)一標準;

(6)允許使用不同的物理介質和構成不同的拓撲結構。

至于以太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現、優(yōu)先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數據傳輸速率，仔細地選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可將發(fā)生數據沖突的概率降到最低。此外，如Hirschmann公司已開發(fā)出一系列加固的、適合用于工業(yè)環(huán)境的密封和抗振動的以太網器件，如導軌式收發(fā)器、集線器、切換器、連接件等;Woodhead Connectivity公司推出保護等級為IP67的RJ-45連接器件。凡此種種，給以太網進入實時控制領域創(chuàng)造了條件。正因為如此，ARC(Automation Research Company)預測今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協(xié)議。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發(fā)布的調查報告中預測，在工業(yè)控制應用領域，以太網的世界市場份額將由1998年的8.4%躍升為2003年的22%，是各種總線中升幅最大的。

目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網進入控制領域的工作，如IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會)正在著手制訂現場總線和以太網通信的新標準。該標準將使網絡能看到“對象”。IAONO(工業(yè)自動化開放網絡聯盟)最近與ODVA和IDA集團就共同推進Ethernet和TCP/IP達成共識。ODVA(DeviceNet供應商協(xié)會)于2000年3月17日發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網服務的工業(yè)標準。FF(現場總線基金會)于2000年3月29日公布了高速以太網(100Mb/s)的最終技術規(guī)范(FSI1.0)。工業(yè)以太網協(xié)會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作，開展工業(yè)以太網關鍵技術的研究。目前1000Mb/s以太網的發(fā)展已進入實用階段，雖然其價格還比較昂貴。由以上分析可知，以太網進入工業(yè)控制領域是一個不可忽視的發(fā)展趨勢。本文概要介紹工業(yè)以太網最近的一些進展，并對今后的展望作一些探討。

一 在應用層中的進展

1. 封裝

眾所周知，以太網自身只提供一系列的物理介質定義和一個共享的構架。構架包括物理介質、幀格式和LAN設備數據的尋址格式，即它只提供物理層和數據鏈路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)、TCP或UDP協(xié)議(層四)，當以太網用于信息技術時，第七層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)、FTP (文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡單網絡管理協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠程登錄)等。但當它用于工業(yè)控制時，體現在第七層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議。對這些不同的概念進行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)。TCP/IP支持基于異種操作系統(tǒng)的異種網絡間的互聯，它是真正的開放系統(tǒng)通信協(xié)議，已成為目前國際上進行異種網絡互聯的事實上的標準。

“封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP、FF開發(fā)的HSE(高速以太網)、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數據在發(fā)送到以太網以前，現場總線報文基本上沒有什么變化并作為“用戶數據”嵌入到TCP/IP幀內，很容易向下兼容到基于以上總線的協(xié)議。

Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息協(xié)議)，如圖1所示。

CIP通過“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數據和控制設備的寬范圍的服務。

在發(fā)送CIP數據包以前必須對其進行封裝，CIP數據包給定一個報文首部(header)，該首部的內容取決于所請求的服務屬性。

通過以太網連接的CIP數據包包括一個專用的以太網首部、一個IP首部、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令、格式、狀態(tài)信息和同步數據等，這允許CIP數據能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進行解碼。

Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協(xié)議的Modbus TCP/IP的模塊應用于MemetumPLC。Modbus TCP已成為半導體工業(yè)的標準EMIE54.9-2000。

FF的HSE是高效地映像到UDP (用戶數據報文協(xié)議，一個被認為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議，其首部比TCP首部短而簡單，只需8個字節(jié)，而TCP為長度可變的40個字節(jié))的一個最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議，為IEC61158現場總線國際標準的類型5。

另一種解決方案是在現場總線的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網策略是將TCP/IP報文分割為若干個小型數據包并封裝在Interbus的參數通道進行傳輸，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數據包將在接收方重新裝配從而恢復為原來的TCP/IP報文。

封裝方案的缺點是協(xié)議的效率低，以太網的首部比用戶數據大得多，從而大幅度地增加開銷，因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數據信息。

2. 代理服務器

代理服務器(Proxy)類似于對兩個不同通信協(xié)議進行轉換的網關(Gate-way)，但其功能要比后者強得多。代理服務器的主要目標是將標準現場總線網絡集成到工業(yè)以太網網絡，其主要優(yōu)點是現有的現場總線設備在今后仍能長期使用，從而保護用戶的投資。支持這種觀點的是由Profibus國際組織發(fā)布的Profinet，它包含兩個概念，即開放的、面向對象的運行期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念。運行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(運程程序調用)和DCOM，并對這些基本機制進行加強和優(yōu)化，因而它適合于高實時性能要求的應用領域。工程概念包括建立工程對象模型，它不僅使用戶能通過不同制造商的組態(tài)工具進行開發(fā)，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應用專用的擴展功能，因此支持在單個工廠范圍集成不同制造商的產品。

3. 實時通信系統(tǒng)

IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自動化的接口)采用美國CaliforNIa公司開發(fā)的位于第四層的NDDS實時通信系統(tǒng)，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬范圍強有力的應用服務。IDA的另一個重要特性是基于Web的設備管理。所有現場設備均有其本身的Web頁面，包括組態(tài)、操作和診斷參數，用戶可通過標準的瀏覽器進行訪問?；赬ML的設備描述簡化了系統(tǒng)的組態(tài)，并支持設備的互操作性和互換性。IDA位于工業(yè)以太網的第七層，它還定義從第四層到第七層和應用接口(API)之間的通信，甚至還包括應用程序的標準編程接口。IDA集團在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術規(guī)范。IDA的模型如圖2所示。

二 嵌入以太網的I/O

早在1998年，Foxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統(tǒng)中的以太網I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網將所有現場設備、控制器和PC機工作站集成為一個高可靠、低成本的實時控制的信息網絡。近年來，一些公司已推出不少以太網I/O產品，舉例如下： (1)Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網I/O產品，并不斷擴展和改進其產品，如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網產品和用于管理的SNMP以太網產品;

(2)National Instruments的Field Point I/O能提供現場設備到以太網的鏈接;

(3)SixNet提供嵌入以太網芯片的I/O模塊;

(4)Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內裝以太網的I/O新產品;

(5)Automation direct.com和Omron Electric聯合宣布的以太網I/O新產品已面市;

(6)GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化產品均支持與以太網的 鏈接;

(7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產品，聲稱是使傳統(tǒng)的自動化控制器能訪問以太網的基礎結構;

(8)Action公司的子公司Busware公布以太網的E系列I/O模塊，如圖3所示。

此外，現在已有嵌入以太網芯片的智能現場總線設備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內裝有Web服務器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠程存取Altivar 58變頻器的各種數據。

三 網絡就是控制器

德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動化系統(tǒng)立意新穎，它是基于100Mb/s以太網的分布式智能控制系統(tǒng)，宣稱“網絡就是控制器”的觀點。其特點是：(1)類似Internet的結構，對數據的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網絡的層次結構;

(2)對用戶來說，只有一組數據和一個程序，所有數據在網絡中只需表達一次，程序和數據均可以重復使用，網絡扮演真正服務器的作用。