段永康

1  引言

    对工业以太网应用的讨论，其时间之长，范围之广应该说在工业自动化发展过程中是前所未有的。这一方面说明广大用户和众多的设备供应商参与网络通讯技术或标准的热情，同时也说明工业以太网的发展现状与人们的理想境地还有一段距离。

    工业控制网络很重要的设计原则是保证设备间通信的实时性和确定性，当然还有一致性、安全性等。人们希望通过以太网通讯速度的提高来解决其实时性问题。以太网的通讯速度不可谓不快，商用以太网的通讯速度已达1 000M，工业用以太网也已达100M，远远超过现有现场总线5M以下的通讯速度（Profibus的12M还不是一个实际使用的通讯速率）。很多开发机构也提供了纳秒级通讯响应的测试报告，但CSMA/CD机制毕竟在理论上还存在冲突检测重复等待的可能性，就好象一只高悬着的达摩剑，随时都会落下来，让人们在使用时心有余悸。也有开发机构希望通过修变底层协议来避开冲突检测的问题，但这又违背了用以太网实现工业控制的初衷。采用以太网作为工业控制网络很重要的原因是人们希望利用这个通用的网络和相应大量的通用软件来建立起一个信息和控制相集成的自动化平台。如果从底层对其进行修改，将会带来新的不兼容问题。

    全双工方式和交换机技术基本上解决了确定性问题，但与现有的现场总线相比，显的复杂一些，成本也要高很多。这也影响了以太网在某些工业控制场合中的应用。

    那么是否以太网应用于工业控制将成为泡影呢？答案当然是否定的，实际上工业以太网的发展已经超过了人们的想象，而且发展的趋势将更加强劲，只是现阶段尚未实现人们的理想。

    人们应该如何看待和如何应用工业以太网的现有成果呢？如果是用工业以太网简单地替代现有系统的原有功能是没有价值的，以太网的价值所在是它提供了更多的特性，包括在以太网上很容易传输图像、声音信息、数据信息等，用它不同的特性满足客户新的服务要求。在此，本文将探讨工业以太网所提供的服务功能，以及施耐德电气的透明工厂TM体系结构如何将这些服务功能应用于自动化控制系统。

    透明工厂^TM是施耐德电气基于开放标准―实时工业网络应用协议 Modbus，以太网 TCP/IP和互联网技术，用于工业、电力和基础设施领域工业自动化过程控制的优化解决方案。透明工厂TM体系通过提供这些标准及其服务的产品，来满足工业过程控制、信息采集和传输的要求。

2  设备间的通信和可采用的服务

2.1  设备间的垂直通信：PLC、PC与外围设备间的通信
(1)  设备组态
    一个设备需要有一个IP地址以及自动设定的相关参数来实现对该设备的访问。
可采用的服务：
•  BOOTP；
•  DHCP。
(2)  PLC与计算机MES、ERP系统间的通信
    这种通信采用的是标准的网络结构和协议，用来实现与上位监控和管理系统之间的大数据量信息交换。
可采用的服务：
•  HTTP―Web网页和Java Applet；
•  OPC；
•  Open MODBUS TCP/IP Messaging（开放式MODBUS TCP/IP信息处理）；
•  TCP Open。
(3)  主机与I/O设备的通讯
    要求应用程序与I/O设备的控制相关联。数据必须以快速、确定性和可重复性的方式在大量不同类型的I/O设备中传送。
可采用的服务：
•  I/O Scanner（I/O扫描器）；
•  Open MODBUS TCP/IP Messaging。
(4)  简单的SCADA服务
    要求用一个简单的SCADA软件包来监视或控制一台设备或现场装置。
可采用的服务：
•  HTTP服务器―定制的Web网页。
(5)  故障设备的自动替换
    要求为替换设备分配以太网地址并进行参数组态。并且系统能自动地对其进行识别和组态，不再需要用户的干预或组态。
可采用的服务：
•  FDR―故障设备替换。
(6)  PC至PLC的通信
    采用标准的网络结构和协议，用来实现多个PLC系统间的大数据量信息交换。响应时间在0.5s ~2s范围内。

2.2  水平通信：PLC与 PLC间通讯
(1)  编程、诊断、数据传送
    要求使用简单的通信接口完成PLC应用之间的数据传送。数据必须按要求从一个PLC工作站传送到另一个工作站，但数据传送的频率可以变化。
可采用的服务：
•  MODBUS TCP/IP Messaging（MODBUS TCP/IP信息处理）。
(2)  PLC与PLC间的应用同步数据传送
    这种通信要求在各PLC应用之间进行数据传送以实现多个PLC应用的同步。这种数据交换必须按照时限要求严格的方式进行。
可采用的服务：
•  Global Data（全局数据）。

3  以太网 TCP/IP标准服务

★ HTTP―嵌入式Web服务器
    HTTP（超级文本传输协议）是一种用于Web服务器和浏览器之间的传输协议。从1990年起HTTP协议就开始在Web上应用。

    嵌入式Web服务是透明工厂技术的核心要素之一，使用一个标准的互联网浏览器，就可从世界上的任何地方以及一个系统的任何层面直接查看设备的信息。
Web浏览器能够完成的工作包括：
•  查看设备的配置信息；
•  读取来自设备的数据；
•  修改设备的配置；
•  访问嵌入式HMI网页以便进行监视和控制；
•  查看历史故障记录；
•  组态用户定义的附加网页。

★ BOOTP/DHCP（RFC1531）
    BOOTP/DHCP可以被用来动态地为设备提供IP地址。因此免除了逐个管理每台设备IP地址的需要，并将这种管理功能转移到中央IP地址服务器内完成。

遵从Modbus TCP/IP协议的设备可以完成：
•  由BOOTP客户机为每台设备自动分配IP地址；
•  由BOOTP服务器管理或分配系统中其它设备的IP地址；
•  通过BOOTP/DHCP协议也可以完成故障设备的更换。

★ FTP―文件传输协议
    文件传输协议（FTP）提供了文件共享的基本元素，很多系统使用FTP协议设备间的文件传输。

    透明工厂设备将FTP协议作为设备间信息传送的一个标准方法来实现，包括下载一个新的操作系统和用户定义的Web网页。

★ SNMP―简单网络管理协议
    SNMP（Simple Network Management Protocol）标准允许使用单一系统对各种不同的网络设备进行管理。网络管理系统（Network Management System）可以和SNMP兼容设备交换信息。管理系统利用这些信息来监视网络和所连接设备的状态，修改设备配置，对网络设备出现的故障进行报警等。

    透明工厂设备遵从SNMP协议，可以将它们完全集成在一个SNMP所管理的网络中。

★ 嵌入式Web诊断功能
    支持以太网通信的施耐德自动化的控制器包括一个集成的实时数据Web服务器。嵌入式Web诊断功能允许在线访问以太网接口、控制器的配置和诊断内容。所有这些Web服务器提供的功能都不需要进行任何配置或编程。进一步地，不需要对驻留程序进行任何修改就能在现有的应用中使用此功能。
•  用于DHCP服务器和SNMP的配置菜单；
•  用于对接口的以太网统计；
•  控制器的配置；
•  控制器内的寄存器数值；
•  远程和分布式I/O寄存器的配置、状态和数值；
•  接口故障统计登录。

★ 配置PLC本地机架，浏览I/O 状态
    本地设备屏幕用于显示当前本地机架的配置信息，包括控制器、嵌入式服务器模板和任何I/O模板。

★ 控制器状态
    CPU配置网页提供最新的控制器及其配置的相关信息。通过选取CPU模板或网页下部的超级链接进入到CPU配置网页。

★ 分布式I/O
通过Web网页提供了关于所组态的分布式I/O信息，包括：
•  分布式I/O节点站网页；
•  分布式I/O模板网页。

★ 以太网网络运行统计
    以太网模板统计网页为嵌入式服务模板提供状态，发送和接收统计，以及错误信息。

★ 远程I/O
    远程I/O状态网页给出了远程I/O网络通信的状况及其使用的概貌。

★ I/O扫描诊断
•  使用PLC内的数据区提供诊断；
•  采用程序组件调试屏幕中对I/O扫描系统的说明来提供诊断；
•  由简单的图形网页为所有用户提供诊断。

★ 数据监控
    访问PLC变量是一种预定义的、带口令保护的功能，它可以完成对所有PLC数据的实时读/写访问。

★ 通讯模板组态
    组态网络通讯模板的Web网页将为SNMP、DHCP和全局数据提供配置支持信息。
•  SNMP配置网页允许进行SNMP代理数据库的配置。
•  DHCP配置网页允许进行IP地址服务器数据库的配置。
•  Global Data（全局数据）配置网页允许进行发布/预定数据库的配置。

★ 报警显示
    报警显示网页有一个预定义的保护功能（口令保护），可以被用来处理报警信息（显示、确认和清除）。

★ FactoryCast图形对象编辑器
    图形对象编辑器功能用于生成各种视图，包括与PLC变量有关的动态图形对象。这些定制的视图可以在用户Web网页中使用。

★ FactoryCast定制的Web网页
    以太网嵌入式Web服务器模板所包含的基于RAM的闪存文件系统可以为用户定义的可通过FTP访问的Web网页提供储存空间。以这种方式生成的网页允许用户：
•  实时显示所有PLC变量；
•  利用外部服务器（文件生成器等）建立超级链接；
•  控制、显示和诊断；
•  实时生产报表的开发；
•  维护或操作员指导。

★ FactoryCast配置工具
FactoryCast提供如下功能：
•  定义用户名和相关的口令；
•  定义由用户修改的变量；
•  整个网站的保存与恢复；
•  将用户在PC兼容系统上本地生成的网页在传送至/取自控制系统。

★ 嵌入式全局数据（Global Data）
    全局数据服务采用一种实时发布/预订机制，用于一组公共分布式站点间的数据发送。全局数据可以实现PLC站之间的同步，或者是在各种应用之间共享公用数据库。

★ 带宽监视
    带宽监视功能显示以太网模板的负荷状况，这样用户就可以监视负荷变化并预见问题的出现。通常可以有三种方式显示以太网模板的负荷：
•  编程软件中所能预期的负荷；
•  通过Web网页显示的实时图形；
•  通过SNMP接口，用网络管理软件监视模板的负荷。

★ TCP Open访问
    以太网通讯模板支持多种基于TCP/IP 标准的通信协议。在这些协议中，MODBUS协议具有公共的技术规范，并且由于其简单性，推荐它用于与第三方设备进行通信。

★ 函数
    按TCP连接客户机/服务器模式运行的Berkeley套接字接口上的基本函数，能够实现：
•  管理在多达32个开放式的连接；
•  生成套接字及其对任一TCP端口的挂接；
•  套接字连接到“接听来自远程客户机的连接请求”模式的通道；
•  连接的打开；
•  在这些连接上传送和接收数据；
•  关闭这一连接。

★ 描述
    TCP Open产品由包括TCP/IP函数库的CD-ROM组成。借助于在TCP上的开放式访问，能够使用以太网模板的所有基本函数。

★ 协议驱动程序
    由于透明工厂是以开放式以太网标准为基础的，所以在运行一个系统时不需要特定的驱动程序。

★ 简单和开放的Modbus TCP
    Modbus应用层是非常基础化和大众化的。目前有成千上万的制造商执行Modbus标准，有成千上万的合作伙伴执行Modbus TCP/IP标准，并且众多的新产品已经选择Modbus TCP/IP作为以太网标准。不需要大容量的存储器或较高的处理能力，Modbus TCP/IP的简易性就允许使用任何形式的简单现场设备在以太网上实现通信，如一块I/O模板。

4  结语
    由于工业以太网在目前仍然处于快速发展和完善阶段，对工业以太网的广大用户更实际的好处在于如何利用现有网络为人们提供的功能。笔者认为，现阶段最有效的方法是如何将工业以太网和现有的现场总线完善地结合起来，建立起完整的工业自动化网络体系。