工业以太网络

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1.1当前现场总线存在的问题

现场总线控制系统（FCS）由于它的开放性、分散性和完全可互操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向，然而就目前情况来看，现场总线技术的发展还存在诸多问题。

1．多种标准目前的现场总线国际标准IEC6158包含了8种不同的现场总线，因此可以说没有标准。各个标准都有其特点，但都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用面。因为目前现场总线有3个层次，即传送数据宽度以位（Bit）计的传感器总线、宽度以字节（Byte）计的设备总线（Device Bus ）和宽度为数据流（Block）的现场总线。其应用范围如图2－1所示。

红外色谱 Profibus FIP FF 单回路

P-Net 控制器

机械视觉

线扫描仪 Interbus 驱动装置 条码扫描器

CAN

流量传感器 温度传感器 控制阀门 压力传感器 Seriplex 分析仪器 ASI 编码器

光/电开关 Lon Works 启动器 接近开关 Profibus 接触器 限位开关 电磁阀

数据宽度： 位 字节 数据流

图2－1 各类现场总线的应用范围

由于的支持各总线集团间的利益冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互联非常困难。这使FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，给现场总线技术的推广以及现场总线控制系统的应用带来不利影响

2． 开放性

一般认为DCS和PLC是属于封闭性的控制系统，而FCS是开放性的系统。但事实上，且不说那些为数众多的各国标准和一些大制造商的企业标准，就是在12种国际标准的后面，那些支持它们的公司，其中不乏就是制造DCS或PLC的大厂商，很难保证其完全的开放性。

3． 可互操作性

现场总线的主要特点之一是可互操作性，但现有的12种现场总线国际标准中，异种

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现场总线之间是不能进行互操作的，虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能直接在彼此的现场仪表间进行，这种互操作是达不到系统的实时性要求。在一种国际标准现场总线的内部，进行互操作应该是没有问题的，实际应用中发现，不同供应商提供同一现场总线标准的设备之间不能完全实现互操作。

4． 应用规模较小

工程的规模越大，现场总线的优越性越能得到充分的体现，可是目前仍以中小型的系统为主。

5． 现场设备缺少选择余地

一方面标准过多，另一方面却缺少选择余地。以FF而言，用于连续生产过程是较为有利的，FF的H1开发已有10多年了，但到2001年5月31日为止，还只有83个现场仪表30余种品种被正式注册可供正式选用，目前注册过的产品中还没有国产产品。

6． 冗余问题

无论是FF的H1，还是Profibus PA都是没有冗余的。按照现场总线的设计思想，低速部分是不需要冗余的，因为它已经将危险分散了，局部故障不会导致全局的故障。现场总线的智能化仪表又有实现维修预报的功能，可以事先防范，而且万一现场自成调节回路失灵，也可以由主机进行操作干预。万一主机故障，则现场仪表在现场自成调节回路而实现自主调节。但实际应用中往往特别强调冗余，有的甚至要冗余到底（包括电源、线路??），而目前现场总线国际标准FF的H1或Profibus PA都是没有冗余。当然，要完全冗余，在技术上也不是完全不可能，但这样一来，在经济上往往是不允许的。

7． 价格问题

国内用户对硬件的价格比较敏感，而对软件的费用往往注意不够。根据国外目前试点的报道，在硬件（包括配套的软件）方面FCS的费用可能持平或略高，而设计和工程费用、安装及现场服务以及调试和开车费用则要低很多，因此综合来讲，总的费用低。但在国内，进口硬件的费用要高得多，而由于国内目前人工费用低，所以工程设计、管理、安装、调试等费用远比国外为低。难怪国内有些用户在改造旧有企业时只能混用，而不能完全采用FCS，这也是在资金不足上的无奈。

8． 以太网的前景

目前不少公司与组织正在积极研究将以太网用于现场总线，而且已有一些可供实施的方法。以太网虽然以其价廉、技术成熟、品种齐全、产品在市场上容易获得、有丰富的实用经验而见长，1990年又已成为国际标准，但它毕竟是为用于信息工业而设计的，如要用于工业控制领域，则存在着不少问题。例如，通信实时性；此外，要它在恶劣的工业现场环境中甚至是在有爆炸性危险的环境下可靠地工作，而且还要求向现场仪表供电等，都需要采取补救措施，这样势必会变得复杂而增加其成本。因此将以太网现场总线，存在着先天不足的问题。

为了解决以上问题，工业以太网、OPC和Internet三项技术的发展值得关注。

1.2工业以太网技术

现场总线技术的发展已经极大地改变了企业控制系统的结构，它具有开放、分散、数字化可互操作等特点，有利于企业自动化系统与信息管理系统的集成，然而现场总线技术在全开放、全分散控制等方面，仍存在许多需要

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解决的问题。

首先，目前的现场总线控制系统主要是低速总线，数据吞吐能力相当有限，通常是几十至几百千字节的速率，这与低速以太网10Mb/s 的速率相关很远，大大限制了现场总线控制功能的发挥。

其次，现场总线仅次于整个系统的底层，仅仅有现场总线还不足以实现整个系统的开放结构。这也与现场总线的标准化过程有关，在现场总线领域，同时有多种标准并存，而且各个标准之间并不兼容，这给互操作性的实现带来了巨大的困难。没有互操作性，系统的开放性就只是空话。

正是由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中，通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/ Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说，现场总线的确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间 不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。

一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层（传感/执行层）。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，几乎所有的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有以下3个原因。

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1．低成本的刺激和速度的提高

以太网适配器的价格大幅度下跌以及各种产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。以太网最初的数据传输速度只有10 Mb/s。随着1996年快速以太网标准的发布，以太网的速度提高到了100 Mb/s。1998年，千兆位以太网标准的发布将其速度提高到最初的100倍。现代以太网标准，比如交换、全双工传输、实时数据的优先级，带宽由10 Mb/s到100 Mb/s乃至1000 Mb/s的升级，使以太网成为大规模工业自动化网络中首选的传输方式。

2． 现代企业对实时生产信息有越来越多的要求

当前，人类已经进入了以互联网为基础的知识经济时代，企业活动也已扩展到全球范围，为了提高生产的效率和效益，人们迫切需要了解生产过程的实时数据，将实时生产信息与企业的ERP系统结合起来。而企业的信息层大多数采用了以太网的解决方案，当控制层和设备层都采用 以太网时，则可实现各层之间信息的无缝连接，并且整个网络系统将是透明的。

3． 以太网的开放性和兼容性

以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC和DCS厂家广泛接受。在大多数场合，它还可以使用现有的布线。此外，以太网还允许逐步采用新技术，可以一步步将整个网络升级。

至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已经由于智能集线器的使用、主动交换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等 ，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络我至于负载等，可将发生数据冲突的概率降到最低。这些都给以太网进入实时控制领域创造了条件。

目前世界上已有一些国际组织从事推动以太网进入控制领域的工作，

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如IEEE正在着手制定现场总线和以太网通信的标准。该标准将使网络能看到“对象”。IAONO（工业自动化开放网络联盟）最近与ODVA和IDA集团就共同推进Ethernet 和TCP/IP达成共识。ODVA（Device Net 供应商协会）于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。FF（现场总线基金会）于2000年3月29日公布了高速以太网（100 Mb/s ）的最终技术规范（FSI1.0）。工业以太网协会与美国的ARC、 Advisory Group等单位合作，开展工业以太网关键技术的研究。目前1000 Mb/s以太网的发展已进入实用阶段，虽然其价格还比较昂贵。由以上分析可知，以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。 1.3封装

众所周知，以太网自身只提供一系列的物理介质和一个共享的构架。构架包括物理介质、帧格式和LAN设备数据的寻址格式，即它只提供物理层和数据链路层。而TCP/IP则包含IP协议（第3层）、TCP(传输控制协议)或UDP(用户报数据协议)协议（第4层），当以太网用于信息技术时，第7层含有HTTP（超级文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）、SMTP（简单电子邮件传送协议）和Telnet（远程登录）等。但当它用于工业控制时，体现在第7层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。对这些不同的概念进行组装称为“封装”（Encapsulation）。TCP/IP支持基于异种操作系统的异种网络间的互联，它是真正的开放系统通信协议，已成为目前国际上进行异种网络互联的事实上的标准。

“封装”是将报文帧嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有

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Rockwell Automation 和ODVA开发的 Ethernet/IP、 FF开发的 HSE（高速以太网）、 Schneider Electric开发的 Modbus TCP/IP。所有这些协议数据在发送到以太网以前，现场总线报文基本上没有什么变化并作为“用户数据”嵌入TCP/IP帧内，很容易向下兼容到基于以上总线的协议。

Schneider Electric推出的“透明工厂”，其核心是Ethernet和 TCP/IP，封装有Modbus协议的Modbus TCP/IP的模块应用于Memetum PLC。Modbus TCP已成为半导体工业的标准EMIE54.9－2000。

1． Ethernet/IP（以太网工业协会）是主推ControlNET现场总线的 Rockwell自动化公司对以太网进入自动化领域作出积极响应的成果。Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片和物理介质，采用星形拓扑结构，利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10 Mb/s和100 Mb/s以太网的商业产品。它的一个数据包最多可达1500字节，数据传输速率可达10/100 Mb/s，因而采用Ethernet/IP便于实现大量数据的高速传输。

2． Ethernet/IP是一种既支持I/O又支持交换的开放式工业网络。Ethernet/IP应用了压缩了ControlNET和Device Net协议的，控制和信息协议（CIP，Control and Information Protocol），Ethernet/IP模型由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、以太网TCP/IP协议组和控制与信息协议（CIP）3个部分组成，如图2－2所示。前两部分为标准的互联网技术。Ethernet/IP模型的特色部分就是被称作控制和信息协议的CIP部分，它是在1999年发布的，它与在ControlNET和Device Net控制网络中使用的CIP相同。在ControlLogix PLC-5 和SLC家族的所有的Ethernet/IP 产品都使用CIP

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通信。CIP一方面提供实时I/O 通信，另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。CIP通过“隐性”和“显性”信息提供用于存取数据和控制设备的宽范围的服务。在发送CIP数据包以前必须对其进行封装，CIP数据包给定一个报文首部（Header），该首部的内容取决于所请求的服务属性。

应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 7 6 控制与信息协议 5 CIP 4 UDP TCP 3 IP 2 1 以太网媒体访问控制 物理层 以太网 物理层 OSI模型 Ethernet/IP模型 TCP与UDP的差异

TCP UDP 可靠性 有 无 实时性 小 大 通信对方的数量 1对1 1对1,1对多 转发类型 数据流型 数据报文型 流量控制 有 无 拥塞控制 有 无 通过以太网连接的CIP数据包包括一个专用的以太网首部、一个IP首部、一个TCP首部和一个封装首部。封装首部包含的字段有控制命令、格式、状态信息和同步数据等，这允许CIP数据能通过TCP或UDP传送并确保在接收方进行解码。

1） 功能设计

EtherNet/IP支持计算机、PLC、机器人。人机界面HMI及I/O转换器在其上通信，而该协议的应用目标是企业管理集成、信息处理；在单一的高速网络上实现设备组态、数据采集和对象控制；能适应较高实时性要求的应用。EtherNet/IP的带宽为10Mb/s或100Mb/s（基于用户选择），所以可以适应大量数据传输需求。

2） 结构设计

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EtherNet/IP网络采用的是星型的交换式以太网结构，通过交换机连接各组设备，10Mb/s和100Mb/s的产品均可正常进行通信，而且此种拓扑结构利于维护。在 EtherNet/IP网络上传送的数据有3种类型：

·信息：普通数据，通过TCP协议建立临时连接进行通信；

·I/O数据：有较高的实时性要求，所以是在数据通信双方之间建立长期连接，利用UDP协议进行通信；

·实时时钟同步信号：有一个主处理器循环地发出，以便其余从处理器能够准确的同步。

通过分类使不同的数据得到相应的处理，从而网络的效率更高。可以看到它是提出的3层结构的很好体现，如图3－3所示。

以太网 控制网 设备网 EtherNet/IP 3层网络结构

各层之间功能明确、结构清晰，而且以太网与控制层的结合更加紧密，大大提高了数据传送的速率，也能够提升控制的质量。

EtherNet/IP的许多模块有内置的网络服务器，能支持HTTP功能。模块、网络、系统数据信息可以通过标准的网络游览器获得。现有的EtherNet/IP产品能够通过HTTP提供以下功能：读/写数据、读诊断、发送电子邮件和编辑、组态数据。不足之处在于EtherNet/IP还没有解决底层设备通信的问题，即设备层的性能并没有得到较大的改善. 4．嵌入以太网的I/O

早在1998年，Foxboro公司就成功地将其Micro-I/A自动化系统中的以

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太网I/O用于德国Bayer AG公司的氯碱分厂，以太网将所有现场设备、控制器和PC机工作站集成为一个高可靠、低成本的实时控制的信息网络。近年来，一些公司已推出不少以太网I/O产品：

（1） Opto 22从1998年第四季度起开始提供以太网I/O产品，并不断扩展和改进其产品，如开发符合802.11和 802.11b的无线访问以太网产品和用于管理的SNMP以太网产品。

（2） National Instruments的 Field Point I/O能提供现场设备到以太网的链接。

（3） Six Net提供嵌入以太网芯片的I/O模块。

（4） Optimation(Hutsrille,Ala)发布内装以太网的I/O新产品。 （5） Automation direct.com 和 Omron Electric联合宣布的以太网I/O新产品已面市。

（6） GE Fanuc Automation 在2000年宣告其所有的自动化产品均支持与以太网的链接。

（7） Zonework(Temecala Calif)推出其第1套产品，声称是使传统的自动化控制器能访问以太网的基础结构。

（8） Action公司的子公司 Busware公布以太网的E系列I/O模块。 此外，现在已有嵌入以太网芯片的智能现场总线设备问世，如Schneider Electric的Altivar 58变频器，不仅能连接到本公司的PLC系列，也能连接到内装有Web服务器的第3方控制器。通过该控制器，还可远程存取Altivar 58变频器的各种数据。

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5．网络控制器

德国Jetter AG(Ludwisburg， Germany)最近发布的Jetweb自动化系统立意新颖，它是基于 100Mb/s以太网的分布式智能控制系统，宣称“网络就是控制器”的观点。其特点如下：

（1） 类似Internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结构。

（2） 对用户来说，只有一组数据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演着真正服务器的作用。

（3） 从传感器到工厂管理层，只有一条以太网总线进行直接通信。 （4） 可连接到Internet，实现整个工厂全球化联网。

（5） 以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是连接现场设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来。 6．以太网应用于工业现场的难点

为了满足工业控制需要，以太网目前迫切需要解决的问题包括通信实时性、现场设备的总线供电、本质安全 、远距离通信、可互操作性等，它们直接影响以太网在现场设备中的应用。

1. 通信实时性

长期以来，以太网通信响应的不确定性是它在工业现场设备中应用的致使弱点和主要障碍之一。以太网采用冲突检测载波监听多点访问（CSMA/CD， Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection）机制解决通信介质层的竞争。以太网的这种机制导致了非确定性的产生。因此在一系列

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