基于工業(yè)Ethernet的現場(chǎng)實(shí)際應用及其策略
加入技術(shù)交流群
一個(gè)典型的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )信息集成系統可以分成三層結構：控制網(wǎng)Infranet、企業(yè)內部網(wǎng)Intranet和全球信息互聯(lián)網(wǎng)Internet。在企業(yè)級的Intranet以及國際互聯(lián)網(wǎng)Internet無(wú)可厚非的采用事實(shí)標準：Ethernet，但在現場(chǎng)級的Infranet，由于受商業(yè)Ethernet的影響，工業(yè)控制業(yè)界人士提出了工業(yè)Ethernet的概念，因此此層分歧較大，目前討論最多的便是FCS（Fieldbuscontrolsystem）和工業(yè)Ethernet。
現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )，是基于現場(chǎng)對象的通信網(wǎng)絡(luò )與控制系統的集成。FCS（Fieldbuscontrolsystem）集當今計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當代最先進(jìn)的計算機控制技術(shù)，具有全數字化、全分布、雙向傳輸、自診斷、節省布線(xiàn)及控制室空間、多功能儀表、開(kāi)放性、智能化、自治性等特性。然而迄今為止IEC61158規定的包括Profibus（Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA）、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF（Ｈ１，IEC技術(shù)報告）、Interbus、ControlNet、WorldFIP、FFHSE，、SwiftNet以及P－Net在內的八種現場(chǎng)總線(xiàn)的通信協(xié)議有很大差異，互聯(lián)非常困難，同時(shí)，FCS大多采用了ISO的參考模型中的物理層、數據鏈路層、應用層以及極具特色的用戶(hù)層，為保證數據傳輸可靠性而使傳輸速度較低，無(wú)法滿(mǎn)足控制的實(shí)時(shí)性要求，特別隨著(zhù)現場(chǎng)設備功能逐漸增強，現場(chǎng)控制設備之間以及現場(chǎng)控制設備與Intranet信息交換量成倍增加，使FCS在工業(yè)控制中的應用受到了一定的限制。這不但使FCS的開(kāi)放性、分散性和可互操作性等特點(diǎn)難以體現，而且確實(shí)給用戶(hù)的使用帶來(lái)很大的不便，因此給現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的推廣以及現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的應用帶來(lái)不利的影響。
從Ethernet與現場(chǎng)總線(xiàn)的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機地結合起來(lái)。一方面由于受環(huán)境及特種技術(shù)的要求限制，現場(chǎng)總線(xiàn)的低端（即I/O端）仍采用低速網(wǎng)（如FF的H1，DeviceNet或Profibus的PA）將智能儀表等設備連接；另一方面一些兼容的智能設備采用中速網(wǎng)（如FF的H2或Profibus的DP）連接控制器、數據集中器、遠程I/O及智能I/O設備；在廠(chǎng)級系統中，采用高速Ethernet連接各控制器與站級計算機，形成整個(gè)控制系統，這就是LAN/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò )結構
Ethernet本質(zhì)上只是一個(gè)物理層標準，就象RS232/RS422A/RS485標準一樣。但目前在傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層基本上已經(jīng)統一，TCP/IP協(xié)議已為多數工業(yè)控制器廠(chǎng)家所接受。在應用層的協(xié)議上還存在著(zhù)分歧，目前三個(gè)主要的競爭對手是Modbus/TCP（基于TCP/IP的Modbus協(xié)議）、EtherNet/IP（基于TCP/IP的ControlNet/DeviceNet）和基于Ethernet的Profibus協(xié)議。Modbus由于它本身是一個(gè)開(kāi)放的協(xié)議，為眾多的供貨商所支持，所以如果說(shuō)在現在工業(yè)Ethernet方面存在事實(shí)上的標準，則只能是Modbus/TCP。但從市場(chǎng)和利益角度考慮，工業(yè)Ethernet在應用層的統一還需要比較長(cháng)的時(shí)間。由于Ethernet本身的開(kāi)放性，它允許在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上運行不同的應用層協(xié)議，在許多實(shí)際應用中具有明顯的無(wú)可替代的優(yōu)勢。工業(yè)Ethernet和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )架構。因此Ethernet向控制系統底層延伸是必然的，WebSCADA將會(huì )成為眾多企業(yè)實(shí)現管控信息一體化所選擇的第一步。Web技術(shù)的滲透使過(guò)程I/O信號不再專(zhuān)屬于某一個(gè)控制系統；虛擬儀器的出現更使多個(gè)用戶(hù)能夠不必親臨現場(chǎng)就可以監控多個(gè)過(guò)程。管控一體化的所有優(yōu)勢都基于數據的開(kāi)放性。
2.工業(yè)Ethernet應用策略
2.1通信實(shí)時(shí)性
Ethernet通信響應的不確定性是它在工業(yè)現場(chǎng)設備中應用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一。由于Ethernet采用沖突檢測載波監聽(tīng)多點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)(CSMA/CD——CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)機制解決通信介質(zhì)層的競爭。Ethernet的這種機制導致了非確定性的產(chǎn)生。因為在一系列碰撞后，報文可能會(huì )丟失，節點(diǎn)與節點(diǎn)之間的通信將無(wú)法得到保障，從而使控制系統需要的通信確定性和實(shí)時(shí)性難以保證。但隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和大面積推廣應用，Ethernet也得到了迅速發(fā)展，使通信確定性和實(shí)時(shí)性得到了增強。主要通過(guò)如下途徑：
（1）網(wǎng)絡(luò )拓撲上，采用星型連接代替線(xiàn)性結構，使用網(wǎng)橋或路由器等設備將網(wǎng)絡(luò )分割成多個(gè)網(wǎng)段(Segment)。
（2）用Ethernet交換技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò )沖突域進(jìn)一步細化，在Ethernet交換機組成的系統中，每個(gè)端口就是一個(gè)沖突域，各個(gè)沖突域通過(guò)交換機實(shí)現了隔離。
（3）采用全雙工通信技術(shù)，可以使設備端口間兩對雙絞線(xiàn)(或兩根光纖)上可以同時(shí)接收和發(fā)送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣任一節點(diǎn)發(fā)送報文幀時(shí)不會(huì )再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復存在。
（4）通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò )負載和提高網(wǎng)絡(luò )傳輸速率，可以使傳統共享式Ethernet上的碰撞大大降低。
2.2總線(xiàn)供電
所謂總線(xiàn)供電或總線(xiàn)饋電，是指連接到現場(chǎng)設備的線(xiàn)纜不僅傳送數據信號，還能給現場(chǎng)設備提供工作電源。對現場(chǎng)設備的總線(xiàn)供電可采用不改變目前Ethernet的物理層結構，即應用于工業(yè)現場(chǎng)的Ethernet仍然使用目前的物理層協(xié)議，而通過(guò)連接電纜中的空閑線(xiàn)纜為現場(chǎng)設備提供工作電源。
2.3互可操作性
互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò )上不同廠(chǎng)家的設備之間通過(guò)統一的應用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用，性能類(lèi)似的設備可以實(shí)現互換?；タ刹僮餍允菦Q定某一通信技術(shù)能否被廣大自動(dòng)化設備制造商和用戶(hù)所接受，并進(jìn)行大面積推廣應用的關(guān)鍵。要解決基于Ethernet的工業(yè)現場(chǎng)設備之間的互可操作性問(wèn)題，唯一而有效的方法就是在Ethernet+TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎上，制訂統一并適用于工業(yè)現場(chǎng)控制的應用層技術(shù)規范，在應用層上增加用戶(hù)層，將工業(yè)控制中的功能塊FB(FunctionBlock)進(jìn)行標準化，不同自動(dòng)化制造商的工控產(chǎn)品共同遵守標準化的應用層和用戶(hù)層，就能實(shí)現它們之間的互可操作。
2.4網(wǎng)絡(luò )生存性
所謂網(wǎng)絡(luò )生存性，是指Ethernet應用于工業(yè)現場(chǎng)控制時(shí)，必須具備較強的網(wǎng)絡(luò )可用性。包括以下幾個(gè)方面的內容。(1)可靠性、(2)可恢復性、(3)可維護性等。為提高工業(yè)Ethernet的生存能力，提高基于Ethernet的控制系統的可用性，可采用在進(jìn)行基于Ethernet的控制系統設計時(shí)，通過(guò)可靠性設計提高現場(chǎng)設備的可靠性或采用環(huán)型冗余結構Ethernet網(wǎng)絡(luò )以提高系統的可恢復性，或采用智能設備管理系統，對現場(chǎng)設備進(jìn)行在線(xiàn)監視和診斷、維護管理。
評論