基于工業(yè)Ethernet的現(xiàn)場實際應(yīng)用及其策略
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一個典型的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)可以分成三層結(jié)構(gòu)：控制網(wǎng)Infranet、企業(yè)內(nèi)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無可厚非的采用事實標準：Ethernet，但在現(xiàn)場級的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(xiàn)場總線（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，是基于現(xiàn)場對象的通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)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的計算機控制技術(shù)，具有全數(shù)字化、全分布、雙向傳輸、自診斷、節(jié)省布線及控制室空間、多功能儀表、開放性、智能化、自治性等特性。然而迄今為止IEC61158規(guī)定的包括Profibus（Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA）、基金會現(xiàn)場總線FF（Ｈ１，IEC技術(shù)報告）、Interbus、ControlNet、WorldFIP、FFHSE，、SwiftNet以及P－Net在內(nèi)的八種現(xiàn)場總線的通信協(xié)議有很大差異，互聯(lián)非常困難，同時，F(xiàn)CS大多采用了ISO的參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及極具特色的用戶層，為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性而使傳輸速度較低，無法滿足控制的實時性要求，特別隨著現(xiàn)場設(shè)備功能逐漸增強，現(xiàn)場控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場控制設(shè)備與Intranet信息交換量成倍增加，使FCS在工業(yè)控制中的應(yīng)用受到了一定的限制。這不但使FCS的開放性、分散性和可互操作性等特點難以體現(xiàn)，而且確實給用戶的使用帶來很大的不便，因此給現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣以及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶來不利的影響。
從Ethernet與現(xiàn)場總線的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機地結(jié)合起來。一方面由于受環(huán)境及特種技術(shù)的要求限制，現(xiàn)場總線的低端（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(shè)備連接；另一方面一些兼容的智能設(shè)備采用中速網(wǎng)（如FF的H2或Profibus的DP）連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠程I/O及智能I/O設(shè)備；在廠級系統(tǒng)中，采用高速Ethernet連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統(tǒng)，這就是LAN/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
Ethernet本質(zhì)上只是一個物理層標準，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(tǒng)一，TCP/IP協(xié)議已為多數(shù)工業(yè)控制器廠家所接受。在應(yīng)用層的協(xié)議上還存在著分歧，目前三個主要的競爭對手是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由于它本身是一個開放的協(xié)議，為眾多的供貨商所支持，所以如果說在現(xiàn)在工業(yè)Ethernet方面存在事實上的標準，則只能是Modbus/TCP。但從市場和利益角度考慮，工業(yè)Ethernet在應(yīng)用層的統(tǒng)一還需要比較長的時間。由于Ethernet本身的開放性，它允許在同一個網(wǎng)絡(luò)上運行不同的應(yīng)用層協(xié)議，在許多實際應(yīng)用中具有明顯的無可替代的優(yōu)勢。工業(yè)Ethernet和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此Ethernet向控制系統(tǒng)底層延伸是必然的，WebSCADA將會成為眾多企業(yè)實現(xiàn)管控信息一體化所選擇的第一步。Web技術(shù)的滲透使過程I/O信號不再專屬于某一個控制系統(tǒng)；虛擬儀器的出現(xiàn)更使多個用戶能夠不必親臨現(xiàn)場就可以監(jiān)控多個過程。管控一體化的所有優(yōu)勢都基于數(shù)據(jù)的開放性。
2.工業(yè)Ethernet應(yīng)用策略
2.1通信實時性
Ethernet通信響應(yīng)的不確定性是它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點和主要障礙之一。由于Ethernet采用沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問(CSMA/CD——CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)機制解決通信介質(zhì)層的競爭。Ethernet的這種機制導(dǎo)致了非確定性的產(chǎn)生。因為在一系列碰撞后，報文可能會丟失，節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障，從而使控制系統(tǒng)需要的通信確定性和實時性難以保證。但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和大面積推廣應(yīng)用，Ethernet也得到了迅速發(fā)展，使通信確定性和實時性得到了增強。主要通過如下途徑：
（1）網(wǎng)絡(luò)拓撲上，采用星型連接代替線性結(jié)構(gòu)，使用網(wǎng)橋或路由器等設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)分割成多個網(wǎng)段(Segment)。
（2）用Ethernet交換技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)沖突域進一步細化，在Ethernet交換機組成的系統(tǒng)中，每個端口就是一個沖突域，各個沖突域通過交換機實現(xiàn)了隔離。
（3）采用全雙工通信技術(shù)，可以使設(shè)備端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上可以同時接收和發(fā)送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣任一節(jié)點發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復(fù)存在。
（4）通過降低網(wǎng)絡(luò)負載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，可以使傳統(tǒng)共享式Ethernet上的碰撞大大降低。
2.2總線供電
所謂總線供電或總線饋電，是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。對現(xiàn)場設(shè)備的總線供電可采用不改變目前Ethernet的物理層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的Ethernet仍然使用目前的物理層協(xié)議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)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)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實現(xiàn)互換?；タ刹僮餍允菦Q定某一通信技術(shù)能否被廣大自動化設(shè)備制造商和用戶所接受，并進行大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。要解決基于Ethernet的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間的互可操作性問題，唯一而有效的方法就是在Ethernet+TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，在應(yīng)用層上增加用戶層，將工業(yè)控制中的功能塊FB(FunctionBlock)進行標準化，不同自動化制造商的工控產(chǎn)品共同遵守標準化的應(yīng)用層和用戶層，就能實現(xiàn)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(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制時，必須具備較強的網(wǎng)絡(luò)可用性。包括以下幾個方面的內(nèi)容。(1)可靠性、(2)可恢復(fù)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(tǒng)的可用性，可采用在進行基于Ethernet的控制系統(tǒng)設(shè)計時，通過可靠性設(shè)計提高現(xiàn)場設(shè)備的可靠性或采用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)Ethernet網(wǎng)絡(luò)以提高系統(tǒng)的可恢復(fù)性，或采用智能設(shè)備管理系統(tǒng)，對現(xiàn)場設(shè)備進行在線監(jiān)視和診斷、維護管理。
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