吉明鹏：宝钢集团梅山钢铁股份有限公司

    1  概述

    工业以太网（Industrial Ethernet）是指应用于工业控制系统中的以太网技术，推动工业以太网技术发展最直接的原因主要有两方面：一方面是计算机控制系统在不同层次间传送的信息已变得越来越复杂，对工业网络的开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求；另一方面是以“全数字化特性”著称的现场总线技术至今还没有统一的标准，还无法实现工业企业综合自动化系统中自上（如信息管理层、控制层）而下（如现场设备层）真正透明的信息互访和集成。

    EtherNet/IP是一种开放的工业网络标准，充分的利用了现有的商用以太网的技术、芯片以及物理介质。在梅山钢铁公司2#高炉控制系统中，EtherNet/IP就得到了充分的应用。

    梅钢2#高炉自动控制系统分为槽下系统、炉顶系统、热风炉系统及高炉本体系统，整个系统采用4套ControlLogix5555冗余系统，考虑到距离远、节点多、抗干扰等因素，控制层采用了Control Net网络类型，抗干扰性好，网络通道冗余，保证可靠通讯。网络结构为总线型主、子网结构，既减少了主网的通讯量，保证了人机界面的数据显示，又有利于子网快速的现场数据采集。图1为整个系统的结构图。HMI软件采用罗克韦尔的RSView SE软件，RSView SE是一种用于管理级监视和控制应用系统的HMI软件，它具有分布式和可升级的架构，支持分布式服务器/多用途的应用系统。本系统采用冗余服务器＋客户端的结构，各个操作员站与服务器之间采用了冗余的工业以太网结构。

    2  EtherNet/IP的协议

    EtherNet/IP同时支持隐式报文（实时I/O控制数据）和显式报文（信息交换）。EtherNet/IP作为一种开放的网络，它使用了一系列现有的成熟技术和标准：IEEE802.3物理层和数据链路层标准；以太网TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）和工业以太网标准；利用CIP协议进行实时I/O控制和点对点的信息交换。

    同基于CIP协议的DeviceNet和ControlNet网络一样，EtherNet/IP网络也采用了生产者/消费者网络通讯模式，随着以太网交换技术和全双工数据传输方式的应用，以太网上的数据冲突将明显减少，从而使EtherNet/IP网络的性能得到了显著的提高。

    3  EtherNet/IP用于工业现场的关键技术

    3.1 工业以太网通信的实时性

    为了满足工业过程控制技术，工业以太网必须具有很高的实时性。但是，长期以来，Ethernet通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。

    众所周知，以太网采用冲突检测载波监听多点访问CSMA/CD机制解决通讯介质层的竞争，其工作原理是：当站点欲传输数据时，首先侦听电缆；如果链路正被其他站点使用，该站点就等到链路空闲为止，否则就立即传输。如果两个或多个站点同时在空闲的链路上开始传输，就发生冲突；于是所有冲突站点终止传输，运行二进制后退算法，等待一个随机的时间后，再重复上述过程。由此可见，以太网本质上的确是不确定性的。这里的“不确定”是指数据传输的响应和时延的“不可预测和再现”。

    但随着以太网带宽的迅速增加（10/100/1000Mbps），冲突机率大大减小，加之相关技术的应用，数据传输的实时性不断提高，也使以太网逐渐趋于确定性。

    在工业以太网中，实现实时性的机制主要包括如下几个方面：

    (1)采用交换式集线器；

    (2)使用全双工（Full-Duplex）通信模式；

    (3)采用虚拟局域网（VLAN）技术；

    (4)质量服务（Qos）。

图 1 高炉自动控制系统机构图

    3.2 工业以太网的服务质量（Qos）

    IP Qos是指IP的服务质量（Quality of Service），也是指IP数据通过网络时的性能。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它是一套度量指标，包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。

    Qos是网络的一种安全机制。在正常情况下并不需要Qos，但是当出现精心设计的网络也能造成性能影响的事件时就十分必要。在工业以太网中采用Qos技术，可以为工业控制数据的实时通信提供一种保障机制，当网络过载或拥塞时，Qos能够确保控制数据传输不受延迟和丢弃，同时保证网络的高效运行。

    拥有Qos的网络是一种职能网络，它可以区分实时－非实时数据。在工业以太网中，可以使用Qos识别来自控制层的拥有较高优先级的采样数据和控制数据，优先得到处理并转发，而其它拥有较低优先级的数据，如管理层的应用类通信，则相对被延后。职能网络还有能力制止对网络的非法使用，譬如非法访问控制层现场控制单元和监控单元终端等，这对于工业以太网的完全性提升有重要作用。

    3.3 工业以太网的网络生存性

    网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时必须具备较强的网络可用性，即任何一个系统组件发生故障，不管它是硬件还是软件，都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序甚至整个系统的瘫痪，则说明该系统的网络生存能力非常弱。因此，为了使网络正常运行时间最大化，需要一个可靠的技术来保证在网络维护和改进时系统不发生中断。

    工业以太网的生存性或高可用性包括以下几个方面的内容。

    (1)可靠性

    在基于以太网的控制系统中，网络成了相关装置的核心，从I/O功能模块到控制器中的任何硬件都是网络的一部分。网络硬件把内部系统总线和外部世界连成一体，同时网络软件驱动程序为程序的应用提供必要的逻辑通道。系统和网络的结合使得可靠性成了自动化设备制造商的设计重点。

    (2)可恢复性

    当以太网系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工作时，系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络连接重点链接起来，并将故障进行隔离，已使任一局部故障不会影响整个系统的正常运行，也不会影响生产装置的正常生产。同时，系统能自动定位故障，以使故障能够得到及时修复。

    (3)可管理性

    可管理性和可维护性也是高可用性系统最受关注的焦点之一。通过对系统和网络的在线管理，可以及时的发现紧急情况，并使得故障能够得到及时的处理。可管理性一般包括性能管理、配置管理、变化管理等过程。

    3.4 工业以太网的网络安全

    工业以太网的应用不但可以降低系统的建设和维护成本，还可实现工厂自上而下更紧密的集成，并有利于更大范围的信息共享和企业综合管理；但同时也带来了网络安全方面的隐患。以太网和TCP/IP的优势在于在商业网络的广泛应用以及良好的开放性，可是与传统的专业工业网络相比，也更容易受到自身技术缺点和人为的攻击。对于工业以太网，采取的基本安全技术主要有三个方面：

    (1)加密技术

    (2)鉴别交换技术

    (3)访问控制技术

    4  总结

    在梅钢2#高炉控制系统中，EtherNet/IP的可确定性，实时性，网络安全性得到了充分的应用。该自动控制系统自2004年3月投入使用以来，经过2年多的应用实践，系统运行可靠，它的可维护性和可扩展性极大地方便了操作人员对整个系统的监控，工程师的维护工作，大大减少了故障停机时间，提高了生产率。