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1、1 引言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
2、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
3、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 IEC61158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
4、/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
5、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 以太网应用作现场总存在的主要问题3。1 传输的实时性和确定性以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）以及二进制指数退避算法（BEB），其实质是一种非确定性的网络系统.因此对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性,造成响应时间不确定，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性.以太网的不确定性是影响以太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一3.2 工业可靠性安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有较好的电磁兼容性
6、。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，没有考虑工业现场环境的适应性需要。其所用插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，不符合工业现场恶劣环境的要求。3.3 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
7、制定统一的适用于控制领域的应用层协议。4 工业以太网技术的改进方案图 1 交换式以太网4。1 通信确定性的改进交换式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术中由于 CSMA/CD 媒介访问方法产生的不确定性问题，它与快速以太网、千兆以太网等技术相结合，使以太网的实时性、确定性得到了较大的改善。在图 1 中，采用以太网交换机，将网络分成若干网段。以太网交换机具有数据存储、转发功能,使各端口之间的输人输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞，同时交换机还对网络上传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点之间数据的传输仅限于本地网段内进行，而不需经过主干网,也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和
8、主干网的网络负荷。另外，采用全双工通信技术可以使端口之间的两对双绞线(或光纤）分别同时接收和发送数据,不会发生冲突。其次，以太网的通信速率从10 Mb/s,100 Mb/s发展到现在的 1 000 Mb/s，10 Gb/s,在数据吞吐量相同情况下，通信介质的占用时间大大降低，有效地降低了网络碰撞概率。另外，在应用过程中,还可以采用控制网络通信负荷的方式来降低网络中信号碰撞冲突的概率。一些厂商开发出一些独到的技术手段运用到以太网上,采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数.这种智能化的
9、集线器还可以通过分配地址空间把内部通讯从外部通讯中分离开来，保持现场控制信息的独立性.实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，保证实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。在以太网的协议中加入实时功能，通过底层协议的集成,确保了以太网的确定性。4。2 通信可靠性的改进为了适应工业现场恶劣环境的要求，一些厂家已经推出了工业级的以太网设备，用以提高以太网的可靠性.在实际应用中,主干网络可采用光纤传输，现场设备的连接可采用屏蔽双绞线。对于重要的网段和节点的通信器件采用冗余配置和自动无扰切换，在可能的情况下配置一个实时网络监控软件，不断监视整个网络的通信状况以及每一个节点的软硬件
10、工作情况，一旦发现异常，应能够迅速将故障节点隔离开来，并做出相应报警。所有这些手段都可以有效地提高以太网通信的可靠性和稳定性。图 2 交换环冗余4。3 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 HSEEtherNet/IP，ProfiNet，MODBUS/TCP 等。HSE 是基金会现场总线
11、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
12、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。Profi
13、Net 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
14、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
15、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。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
16、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.本文作者创新点:详细论述了工业以太网的优点和存在问题，论述了确定性,可靠性的改进方案，并分析了主流应用层协议。