步入控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)

幾年前，當(dāng)現(xiàn)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(wǎng)卻悄悄地進(jìn)入了控制領(lǐng)域。近來以太網(wǎng)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(guān)鍵，用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，但目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求。應(yīng)該說，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)確實給工業(yè)自動化帶來一場深層次的革命，但多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝導(dǎo)致出現(xiàn)“自動化孤島”等，促使人們開始尋求新的出路，并關(guān)注到以太網(wǎng)。以太網(wǎng)有以下優(yōu)點：

(1)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率(目前已達(dá)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(shù))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(wǎng)絡(luò)平臺或基礎(chǔ)構(gòu)架;

(4)在整個網(wǎng)絡(luò)中，運用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù);

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

(6)允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

至于以太網(wǎng)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(xiàn)、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細(xì)地選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等，可將發(fā)生數(shù)據(jù)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(wǎng)器件，如導(dǎo)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(wǎng)進(jìn)入實時控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。正因為如此，ARC(Automation Research Company)預(yù)測今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發(fā)布的調(diào)查報告中預(yù)測，在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域，以太網(wǎng)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(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)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(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將使網(wǎng)絡(luò)能看到“對象”。IAONO(工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟)最近與ODVA和IDA集團就共同推進(jìn)Ethernet和TCP/IP達(dá)成共識。ODVA(DeviceNet供應(yīng)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(wǎng)服務(wù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。FF(現(xiàn)場總線基金會)于2000年3月29日公布了高速以太網(wǎng)(100Mb/s)的最終技術(shù)規(guī)范(FSI1.0)。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作，開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前1000Mb/s以太網(wǎng)的發(fā)展已進(jìn)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(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)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(wǎng)最近的一些進(jìn)展，并對今后的展望作一些探討。

一 在應(yīng)用層中的進(jìn)展

1. 封裝

眾所周知，以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個共享的構(gòu)架。構(gòu)架包括物理介質(zhì)、幀格式和LAN設(shè)備數(shù)據(jù)的尋址格式，即它只提供物理層和數(shù)據(jù)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(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)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(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)等。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)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(yīng)用協(xié)議。對這些不同的概念進(jìn)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(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，它是真正的開放系統(tǒng)通信協(xié)議，已成為目前國際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的事實上的標(biāo)準(zhǔn)。

“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(wǎng))、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前，現(xiàn)場總線報文基本上沒有什么變化并作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內(nèi)，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(yīng)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(shù)據(jù)和控制設(shè)備的寬范圍的服務(wù)。

在發(fā)送CIP數(shù)據(jù)包以前必須對其進(jìn)行封裝，CIP數(shù)據(jù)包給定一個報文首部(header)，該首部的內(nèi)容取決于所請求的服務(wù)屬性。

通過以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個專用的以太網(wǎng)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(shù)據(jù)等，這允許CIP數(shù)據(jù)能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)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(yīng)用于MemetumPLC。Modbus TCP已成為半導(dǎo)體工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EMIE54.9-2000。

FF的HSE是高效地映像到UDP (用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議，一個被認(rèn)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(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的類型5。

另一種解決方案是在現(xiàn)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(wǎng)策略是將TCP/IP報文分割為若干個小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進(jìn)行傳輸，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數(shù)據(jù)包將在接收方重新裝配從而恢復(fù)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(wǎng)的首部比用戶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息。

2. 代理服務(wù)器

代理服務(wù)器(Proxy)類似于對兩個不同通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)(Gate-way)，但其功能要比后者強得多。代理服務(wù)器的主要目標(biāo)是將標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其主要優(yōu)點是現(xiàn)有的現(xiàn)場總線設(shè)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?qū)ο蟮倪\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(diào)用)和DCOM，并對這些基本機制進(jìn)行加強和優(yōu)化，因而它適合于高實時性能要求的應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行開發(fā)，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應(yīng)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(chǎn)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(yīng)用服務(wù)。IDA的另一個重要特性是基于Web的設(shè)備管理。所有現(xiàn)場設(shè)備均有其本身的Web頁面，包括組態(tài)、操作和診斷參數(shù)，用戶可通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進(jìn)行訪問?；赬ML的設(shè)備描述簡化了系統(tǒng)的組態(tài)，并支持設(shè)備的互操作性和互換性。IDA位于工業(yè)以太網(wǎng)的第七層，它還定義從第四層到第七層和應(yīng)用接口(API)之間的通信，甚至還包括應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)規(guī)范。IDA的模型如圖2所示。

二 嵌入以太網(wǎng)的I/O

早在1998年，F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場設(shè)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(wǎng)絡(luò)。近年來，一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，舉例如下： (1)Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，并不斷擴展和改進(jìn)其產(chǎn)品，如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品;

(2)National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場設(shè)備到以太網(wǎng)的鏈接;

(3)SixNet提供嵌入以太網(wǎng)芯片的I/O模塊;

(4)Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內(nèi)裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品;

(5)Automation direct.com和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網(wǎng)I/O新產(chǎn)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(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的 鏈接;

(7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品，聲稱是使傳統(tǒng)的自動化控制器能訪問以太網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);

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

此外，現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場總線設(shè)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(nèi)裝有Web服務(wù)器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠(yuǎn)程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)。

三 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點。其特點是：(1)類似Internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu);

(2)對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用。