1 引言
20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)，由于其適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展的方向，促進(jìn)了目前的自動化儀表、DCS(DistributedControl System)和PLC等產(chǎn)品所面臨的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)的重大變革，導(dǎo)致工業(yè)自動化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，從而給控制領(lǐng)域帶來了一場革命。但是，目前現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，多種總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能實現(xiàn)相互高速的實時數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝，難以實現(xiàn)真正的開放性。而以太網(wǎng)以其低成本、通信速率高、高度開放性的優(yōu)點逐漸受到人們的關(guān)注。
2 以太網(wǎng)技術(shù)介紹
2.1 以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)
以太網(wǎng)是由DEC、Intel和Xerox三家公司在20世紀(jì)70年代開發(fā)研制的。它采用的是載波偵聽/沖突檢測(CSMA/CD)的多路訪問協(xié)議。設(shè)計以太網(wǎng)最初是為了使系統(tǒng)能夠不局限于某一種傳輸介質(zhì)，如光纖、同軸電纜、無線電波,因此取名為以太網(wǎng)。80年代中期，IEEE在DEC、Intel和Xerox三家公司開發(fā)的以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，制定了802.3LAN標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)在有IEEE的802.3LAN標(biāo)準(zhǔn)和DIXII以太網(wǎng)2個標(biāo)準(zhǔn)，但二者差別不大，他們的幀格式如圖1所示。
圖1 DIX Ethernet數(shù)據(jù)幀格式
在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中，定義目的地址和源地址長度是2字節(jié)或者6個字節(jié)。因此幀的長度范圍是64-1518個字節(jié)。需要注意的是在實際應(yīng)用中，目的地址和源地址長度都是6字節(jié)，因此幀的實際最小長度為72個字節(jié)。
2.2 以太網(wǎng)技術(shù)的特點
以太網(wǎng)由于其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，逐漸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。與目前的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點:
(1) 成本低廉
目前以太網(wǎng)卡的價格只有Profibus、FF等現(xiàn)場總線網(wǎng)卡的1/10。
(2) 應(yīng)用廣泛
以太網(wǎng)可以保證多種開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境可供選擇。
(3) 通信速率高
目前以太網(wǎng)的通信速率為10Mbps，100Mbps的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1000Mbps以太網(wǎng)技術(shù)也在不斷成熟，10Gbps正在研究。
(4) 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接
在以太網(wǎng)上使用TCP/IP，它的開放性可以使測控網(wǎng)和信息網(wǎng)統(tǒng)一起來?，F(xiàn)場信號可以在企業(yè)的Intranet上及時發(fā)布和共享，還可以在Internet/Intranet的任何位置對現(xiàn)場智能設(shè)備進(jìn)行在線控制、功能組態(tài)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)上真正的開放性和互操作性。
3 Ethernet認(rèn)識誤區(qū)
3.1 “以太網(wǎng)和TCP/IP等同”
大家在提到以太網(wǎng)的時候必然會提到TCP/IP，將以太網(wǎng)和TCP/IP混淆。
其實，以太網(wǎng)和TCP/IP是兩個完全不同的概念，它們是各自獨立發(fā)展起來的。
以太網(wǎng)本質(zhì)上只是一個物理層標(biāo)準(zhǔn)。圖2是OSI七層參考模型:
圖2 OSI參考模型
以太網(wǎng)只定義了OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。以太網(wǎng)是當(dāng)今局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在局域網(wǎng)(LAN)中采用的電纜類型和信號處理方法。在以太網(wǎng)中信息以以太網(wǎng)幀的形式傳輸(以太網(wǎng)幀分為兩類即數(shù)據(jù)幀和管理幀)。
而TCP/IP是OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)主要是完成開放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送控制。主要功能是開放系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)確認(rèn)。同時，還用于彌補各種通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量差異，對經(jīng)過下三層之后仍然存在的傳輸差錯進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)一步提高可靠性。另外，通過復(fù)用、分段和組合、連接和分離、分流和合流等技術(shù)措施，提高吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。簡單而言TCP的任務(wù)是按照其原先發(fā)送的順序可靠的傳輸數(shù)據(jù)，過濾掉重復(fù)的，在可靠的數(shù)據(jù)傳輸不再可能實現(xiàn)的情況下重新發(fā)送數(shù)據(jù)并指示出錯;網(wǎng)絡(luò)層IP（InternetProtocol)規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。它的主要功能是利用數(shù)據(jù)鏈路層所提供的相鄰節(jié)點間的無差錯數(shù)據(jù)傳輸功能，通過路由選擇和中繼功能，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的連接。
當(dāng)然，大家之所以將以太網(wǎng)和TCP/IP混淆，主要在于默認(rèn)了以太網(wǎng)和TCP/IP兩種技術(shù)的結(jié)合。只有將以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，才可以將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，離開TCP/IP的以太網(wǎng)并不能實現(xiàn)任何功能,空洞的談?wù)撘蕴W(wǎng)的優(yōu)勢就是無咎之談。
3.2“提高網(wǎng)絡(luò)速度可以解決以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的實時性問題”
在相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，而減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷則意味著提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。但是，網(wǎng)絡(luò)速率的提高，并不能徹底解決工業(yè)控制現(xiàn)場的實時性問題。
在工業(yè)控制現(xiàn)場，由于現(xiàn)場設(shè)備的地域分散性，現(xiàn)場設(shè)備間的信息交互是通過通信網(wǎng)絡(luò)，以信息傳遞的方式來實現(xiàn)的。為了達(dá)到控制與監(jiān)控等任務(wù)的要求，現(xiàn)場設(shè)備間的信息交互必須在一定的通信延遲時間內(nèi)完成，即必須滿足實時性要求。從信息發(fā)送到信息接收之間的全部通信延遲，稱作端到端的通信延遲。通信延遲主要包括以下幾方面的因素:
（1)排隊延遲:從信息進(jìn)入排隊隊列，到此信息獲取通信網(wǎng)絡(luò)所需要的時間。排隊延遲主要是由通信網(wǎng)絡(luò)的媒體存取控制（MAC)協(xié)議和相應(yīng)的信息調(diào)度算法決定;
（2)發(fā)送延遲:從信息的第一個字節(jié)開始發(fā)送到信息最后一個字節(jié)發(fā)送結(jié)束所需要的時間。發(fā)送延遲取決于信息的大小和通信網(wǎng)絡(luò)的通信速率;
（3）傳輸延遲:信息在現(xiàn)場設(shè)備間傳輸所需要的時間，傳輸延遲取決于通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場設(shè)備間的物理長度。
則有:T總延遲＝T排隊延遲＋T發(fā)送延遲＋T傳輸延遲
以上分析可以看出，單純的提高網(wǎng)絡(luò)速度，只能解決發(fā)送延遲,如果排隊延遲和傳輸延遲沒有相應(yīng)提高的話,并不能徹底解決工業(yè)控制的實時性問題。因此,只有針對不同的通信延遲分別采取相應(yīng)的手段才可以徹底解決工業(yè)控制的實時性問題。
3.3“引入以太網(wǎng)可以徹底實現(xiàn)系統(tǒng)的集成問題”
以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用是Ethernet＋TCP/IP，即靈活的Ethernet底層加上幾乎成為通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP，使得以太網(wǎng)能夠非常容易的集成到以Internet和Web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡(luò)中。但是即使如此，若在應(yīng)用層其協(xié)議規(guī)范不統(tǒng)一，依然不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，不能實現(xiàn)同一個網(wǎng)絡(luò)信息的互通。本著徹底實現(xiàn)開放性的目的，將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制，但是只是實現(xiàn)了底層上都采用Ethernet＋TCP/IP，在應(yīng)用層上標(biāo)準(zhǔn)仍然不統(tǒng)一，因此也就不能實現(xiàn)徹底的系統(tǒng)集成。
4Ethernet＋TCP/IP應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議
底層網(wǎng)絡(luò)引入工業(yè)以太網(wǎng)不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直層面方便集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本，以太網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的。因此，目前國際上一些自動化設(shè)備廠商和組織紛紛支持以太網(wǎng)并制定了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn).目前,基于Ethernet＋TCP/IP的工業(yè)協(xié)議主要如下:
(1) Modbus TCP/IP
法國施耐德公司推出透明工廠戰(zhàn)略，使其成為工業(yè)Ethernet應(yīng)用者的堅決倡導(dǎo)者，ModbusTCP/IP是目前工業(yè)Ethernet事實的標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)Ethernet在傳感器和設(shè)備級的應(yīng)用。
Modicon可編程控制器可以相互通信，且在許多網(wǎng)絡(luò)上可與其他設(shè)備通信。被支持的網(wǎng)絡(luò)包括Modicon的Modbus(標(biāo)記為MB)、ModbusPlus(MB+)工業(yè)以太網(wǎng)以及諸如MAP和Ethernet。控制器中的內(nèi)嵌端口和Modicon公司銷售的網(wǎng)絡(luò)適配器，可選模塊和網(wǎng)關(guān)可從網(wǎng)絡(luò)存取數(shù)據(jù)。在其它網(wǎng)絡(luò)中，含有MB協(xié)議的報文被內(nèi)嵌到用于網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)或包結(jié)構(gòu)中;且ModbusTCP/IP描述了控制器所用的與另一個設(shè)備存取數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該設(shè)備如何響應(yīng)，錯誤如何檢測和報告。
Modbus層作為應(yīng)用層，形成Modbus報文如圖3所示。
(2) ProfiNET
德國西門子公司:1988年發(fā)布工業(yè)Ethernet白皮書。于2001年發(fā)布其工業(yè)Ethernet的規(guī)范，成為ProfiNET。
ProfiNET主要包括三方面的技術(shù):a)基于組件對象模型(ComponentObjectModule，COM)的分布式自動化系統(tǒng);b)規(guī)定了ProfiNET現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信;c)提供了一個獨立于制造商，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。
圖3 Modbus TCP/IP模型
ProfiNET的基礎(chǔ)是組件技術(shù)(ComponentTechnology)。在ProfiNET中，每個設(shè)備都要被看作一個具有COM接口的自動化設(shè)備，同類設(shè)備都具有同樣的COM接口。在系統(tǒng)中通過調(diào)用COM接口來調(diào)用設(shè)備功能。組件對象模型使不同制造商遵循同一個原則創(chuàng)建的組件之間能夠混合使用，簡化了通信編程。每一個智能設(shè)備中都有一個標(biāo)準(zhǔn)組件，智能設(shè)備的功能則通過對組件進(jìn)行特定的編程來完成。同類設(shè)備具有相同的內(nèi)置組件，對外提供相同的COM接口，為不同廠家的設(shè)備之間提供了良好的互換性和互操作性。COM對象之間還可通過DCOM連接協(xié)議進(jìn)行互連和通信。
ProfiNET采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/UDP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接系統(tǒng)Profibus設(shè)備和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個設(shè)備(Proxy)連接到ProfiNET網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動地在ProfiNET中使用，傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可以通過Proxy與ProfiNET上面的COM對象進(jìn)行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。
(3) HSE
基金會現(xiàn)場總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱為HSE(HighSpeed Ethernet)。
圖5表示了HSE通信系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議802.3、TCP/IP協(xié)議族與FFH1的結(jié)合體。FF現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。由HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干網(wǎng)上，這些信息可以通過互聯(lián)網(wǎng)送到主控制室，并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控制室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況?，F(xiàn)場設(shè)備同樣可以從網(wǎng)絡(luò)獲取控制信息。
圖4HSE通信系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖
(4) EtherNet／IP
美國洛克韋爾自動化公司:2000年，發(fā)布了工業(yè)Ethernet規(guī)范，定義為EtherNET／IP。EtherNET／IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和物理介質(zhì)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用以太網(wǎng)交換機(jī)實現(xiàn)各種設(shè)備之間的點對點連接，能同時支持10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)的商業(yè)產(chǎn)品。它的一個數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500B，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10/100Mb/s，因而采用EtherNET/IP便于實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。圖5是EtherNET/IP與OSI參考模型的比較。
圖5 EtherNET/IP與OSE模型比較
EtherNET/IP模型由IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議族和控制與信息協(xié)議三個部分組成。前兩部分為標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。EtherNET/IP模型的特色部分就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP(ControlInformationProtocol)部分，它是1999年分布的，與ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)中使用的CIP相同。CIP一方面提供實時I/O通信，另一方面實現(xiàn)信息的對等通信。其控制部分用來實現(xiàn)實時I/O通信，信息部分則用來實現(xiàn)非實時的信息交換。
EtherNET/IP的許多模塊有內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，能支持HTTP功能。模塊、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息可以通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器獲得。
5 結(jié)論
工業(yè)界人士越來越認(rèn)識到在工業(yè)控制中以太網(wǎng)和TCP/IP的重要性，以太網(wǎng)和TCP/IP作為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它將成為過程級和控制級的主要傳輸技術(shù)。帶TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和I/O模塊中使用。它能夠與工業(yè)信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫的連接，而無需任何專用設(shè)備。隨著以太網(wǎng)速度的不斷加快及在確定性、實時性、可靠性方面性能的不斷改善，工業(yè)以太網(wǎng)無疑將在控制網(wǎng)絡(luò)中扮演越來越重要的角色。因此，有人預(yù)言工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中的使用將構(gòu)建從底層的現(xiàn)場設(shè)備到先進(jìn)與優(yōu)化控制層、企業(yè)管理決策層的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)平臺,徹底實現(xiàn)管控一體化。
當(dāng)然也必須清醒的認(rèn)識到目前將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場還存在著一定的局限性。但是，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)以及控制領(lǐng)域中各種新技術(shù)的出現(xiàn)、發(fā)展和融合,將引發(fā)控制領(lǐng)域更深層的變革。人們可以期待高度開放、使用靈活方便、功能強(qiáng)大的新型控制網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。
