控制网

1.2 稳定性与可靠性

    Ethernet进入控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等)，商用网络产品不能用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。为解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，许多公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机等产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。台湾四零四科技(Moxa Technologies)于2002年6月推出工业以太网产品――MOXA Ethernet Device Server(工业以太网设备服务器)，专用于连接具有以太网络接口的工业设备(如 PLC、HMI、DCS系统等)。 

在新发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范进行了定义。在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以提高网络的抗干扰能力和可靠性。

1.3 工业以太网协议

工业自动化网络控制系统不仅是完成数据传输的通信系统，而且还是借助网络完成控制功能的自控系统。因此系统需要依靠所传输的数据和指令，执行一些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。

对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层，而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主(已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准)，对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP(WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层协议进行信息透明访问的，但这些协议所定义的数据结构等特性不适合于工控领域现场设备之间的实时通信。

为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet TCP/IP协议之上，建立完整的、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和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。各现场总线组织都将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，构成工业以太网协议，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

(1)    HSE(High Speed Ethernet，高速以太网)

    HSE是现场总线基金会(FF，Fieldbus Foundation)摒弃了原有高速总线H2之后的新作。现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成。HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并送到企业的ERP和管理系统，操作员在主控室可直接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以从网络获得控制信息。

HSE在低四层直接采用Ethernet+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。

(2) PROFInet

   Profibus国际组织针对工业控制要求和Profibus技术特点，提出基于以太网的PROFInet，它主要包含三方面的技术：① 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统；② 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；③ 提供一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。

   PROFInet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFInet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与PROFInet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。

(3) Ethernet/IP

   Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品，Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)等3个部分组成，前面两部分为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了Control Net和Device Net控制网络中相同的CIP，CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。

2． 工业以太网技术的发展趋势与前景

由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，它已在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工控现场的趋势,目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：

2.1 工业以太网与现场总线相结合

工业以太网技术的研究兴起于近几年，而现场总线则已有十几年的发展，技术上日渐成熟，在市场上已全面推广。工业以太网全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：

(1) 物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；

(2) 使用标准以太网连接设备(如交换机等)，在工业现场使用工业以太网交换机；

(3) 采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组；

(4) 应用层(甚至是用户层)采用现场总线的应用层、用户层协议；

(5) 兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等；

这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出“透明工厂”的概念，即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络，并与Web功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。

2.2 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋

随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网应用于工业现场设备间通信的主要障碍。国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网(Real-time Ethernet, RTE)标准，旨在推动以太网技术在工控领域的全面应用。国内，在国家“863”计划的支持下，许多单位开展EPA(Ethernet for Plant Automation)技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果：

(1)    以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。

    针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经研究，采用以下技术可解决以太网应用于现场设备间通信所遇到的问题：

①实时通信技术

采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。

②总线供电技术

采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。

③远距离传输技术

采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。

④网络安全技术

采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。

⑤可靠性技术

采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。
(2) 起草了EPA国家标准。

以工业现场设备间通信为目标，以工业控制工程师为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP协议，起草了“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”，并通过了由TC124组织的技术评审。

(3) 开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用。针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括：基于以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器、软PLC等成果等。

2.3工业以太网应用实例

图中小区三表抄送网络作为数据业务的传输与交换平台，承担着、数据信息及其它数据业务信号的汇接和传输任务。从物理连接上，这个网络是一个冗余环网。冗余切换时间300毫秒，采用某电信技术公司的KIEN 6000-2M，2对多模光口，6个10/100M 自适应RJ45口；24伏直流冗余电源接入，报警输出；可以灵活的与其他网络交换机接入。良好的安全特性能够保证数据安全传输。根据光缆的铺设情况，此种网络结构为环状网络结构。每个监控控制单元到监控中心均采用一一对应的设备连接，根据用户需要可以采用双光口连接，这样就采用了光口冗余备份，在局端监控中心到每个监控点之间单根纤断裂时，可自动切换到备用通道实现业务的不间断传输。双电源的冗余备份、光口/电口自动故障保报警都显示了在工控水利场合上也交换机所不能达到的强大网络优势.

                   图2  工业以太网应用实例

2.4小结

以太网可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。

目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。

参考文献

[1] 成继勋，朱红萍.  工业以太网技术的新进展[J] 自动化仪表，2004(12)

[2] 王波.    基于交换式工业以太网研究[J] 重工与起重技术，2004(02)

[3] 姚夕平，王益.基于以太网开放式牵引变电所监控系统[J]电气化铁道，2005(04)

[4] 康军，戴冠中.工业以太网远程监控系统设计[J]计算机工程与设计，2005(06)