工業(yè)以太網進展現狀

1、工業(yè)以太網進展現狀    1.1 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

2、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(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行異種網絡互聯(lián)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

3、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),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

4、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Quantum PLC。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

5、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  &#

6、160; 代理服務器(Proxy)類似于對2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

7、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

8、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。基于XML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。    1.2 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

9、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:    (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 和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網I/O新產品已面市; &

10、#160;   (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，    (9) 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

11、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。     1.3 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100Mbps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

12、編程，不需要考慮網絡的層次結;    (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;    (3) 從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網總線進行直接通信;    (4) 可連接到Internet，實現整個工廠全球化聯(lián)網;    (5) 以太網既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現場設備的現場總線，內部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內部通信從外

13、部通信中分離出來。     1.4 工業(yè)以太網的發(fā)展前景     Siemens Energy & Automation的網絡產品經理Horst Kohlbert說:“嵌入有以太網的現場設備，以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現實”。這個預言提示工業(yè)以太網即將進入現場控制級。但從目前的趨勢來看，已有的現場總線仍將繼續(xù)存在，不太可能退出歷史舞臺。在現場級，工業(yè)以太網能占領一定的市場，但它是否能作為實時控制通信的單一標準，一時難作定論，最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)。此外，并非每種現場總線都將被工業(yè)以太網總線所替代，

14、如AS-i、CAN，這兩種現場總線就應用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器而言，無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數據，且總線可帶電;CAN最多傳輸8個字節(jié))，還有一些專用總線，如SERCOS(用于數控，控制運動軸，為IEC61491國際標準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應用領域，均不適宜于工業(yè)以太網。另外，易燃、易爆(如化工、制藥)，以及環(huán)境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場合，也不適宜于應用工業(yè)以太網。     1.5工業(yè)以太網在我國的發(fā)展趨勢    由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現場設備控制層，所以被人

15、們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網已成為現場總線中的主流技術。    目前，在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發(fā)布了基于高速以太網技術的現場總線設備，其研究目標是：攻克應用于工業(yè)控制現場的高速以太網的關鍵技術，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等問題，同時研究開發(fā)相關高速以太網技術的現場設備、網絡化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。    這幾年來，我國在攻克以太網實時性、總線供電和遠距離傳輸等一系列難題方面已經取得了很大的成果。    但是，以太網用于工業(yè)控制目前尚處在研究及解決當中，主要有以下問題：    (1) 實時性問題；    (2) 可靠性問題；    (3)