發布日期：2022-07-14 點擊率：23
引言：
目前，在國際上有多個組織從事工業以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發布了基于高速以太網技術的現場總線設備，其研究目標是：攻克應用于工業控制現場的高速以太網的關鍵技術，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等問題，同時研究開發相關高速以太網技術的現場設備、網絡化控制系統和系統軟件。
1.1 在應用層中的進展
(1) 封裝
眾所周知，以太網自身只提供一系列的物理介質定義和一個共享的構架。構架包括物理介質、幀格式和LAN設備數據的尋址格式，即它只提供物理層和數據鏈路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協議(層三)、TCP或UDP協議(層四)，當以太網用于信息技術時，第七層含有HTTP(超級文本傳輸協議)、FTP(文件傳輸協議)、SNMP(簡單網絡管理協議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協議)和Telnet(遠程登錄)等。但當它用于工業控制時，體現在第七層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議。對這些不同的概念進行組裝稱為“封裝(Encapsulation)。TCP/IP支持基于異種操作系統的異種網絡間的互聯，它是真正的開放系統通信協議，已成為目前國際上進行異種網絡互聯的事實上的標準。
“封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發的Ethernet/IP、FF開發的HSE(高速以太網)、Schneider Electric開發的Modbus TCP/IP。所有這些協議數據在發送到以太網以前，現場總線報文基本上沒有什么變化并作為“用戶數據”嵌入到TCP/IP幀內，很容易向下兼容到基于以上總線的協議。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協議的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息協議),CIP通過“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數據和控制設備的寬范圍的服務。
在發送CIP數據包以前必須對其進行封裝，CIP數據包給定一個報文首部(header)，該首部的內容取決于所請求的服務屬性。通過以太網連接的CIP數據包包括一個專用的以太網首部、一個IP首部、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令、格式、狀態信息和同步數據等，這允許CIP數據能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進行解碼。Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協議的Modbus TCP/IP的模塊應用于Quantum PLC。Modbus TCP已成為半導體工業的標準EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP(用戶數據報文協議，一個被認為優于TCP的傳輸協議，其首部比TCP首部短而簡單，只需8個字節，而TCP為長度可變的40個字節)的一個最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協議，為IEC61158現場總線國際標準的類型5。另一種解決方案是在現場總線的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網策略是將TCP/IP報文分割為若干個小型數據包并封裝在Interbus的參數通道進行傳輸，其總和幀協議仍保持不變。這些被分割的數據包將在接收方重新裝配從而恢復為原來的TCP/IP報文。封裝方案的缺點是協議的效率低，以太網的首部比用戶數據大得多，從而大幅度地增加開銷，因此封裝方案只適用于發送大容量的數據信息。
(2) 代理服務器
代理服務器(Proxy)類似于對2個不同通信協議進行轉換的網關(Gate-way)，但其功能要比后者強得多。代理服務器的主要目標是將標準現場總線網絡集成到工業以太網網絡，其主要優點是現有的現場總線設備在今后仍能長期使用，從而保護用戶的投資。支持這種觀點的是由Profibus國際組織發布的Profinet，它包含兩個概念，即開放的、面向對象的運行期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念。運行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(運程程序調用)和DCOM，并對這些基本機制進行加強和優化，因而它適合于高實時性能要求的應用領域。工程概念包括建立工程對象模型，它不僅使用戶能通過不同制造商的組態工具進行開發，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應用專用的擴展功能，因此支持在單個工廠范圍集成不同制造商的產品。
(3) 實時通信系統
IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自動化的接口)采用美國California公司開發的位于第四層的NDDS實時通信系統，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬范圍強有力的應用服務。IDA的另一個重要特性是基于Web的設備管理。所有現場設備均有其本身的Web頁面，包括組態、操作和診斷參數，用戶可通過標準的瀏覽器進行訪問。基于XML的設備描述簡化了系統的組態，并支持設備的互操作性和互換性。IDA位于工業以太網的第七層，它還定義從第四層到第七層和應用接口(API)之間的通信，甚至還包括應用程序的標準編程接口，IDA集團在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術規范。
1.2 嵌入以太網的I/O
早在1998年，Foxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統中的以太網I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網將所有現場設備、控制器和PC機工作站集成為一個高可靠、低成本的實時控制的信息網絡。近年來，一些公司已推出不少以太網I/O產品，舉例如下:
(1) Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網 I/O產品，并不斷擴展和改進其產品，如開發符合和b的無線電訪問以太網產品和用于管理的SNMP以太網產品;
(2) National Instruments的Field Point I/O能提供現場設備到以太網的鏈接;
(3) SixNet提供嵌入以太網芯片的I/O模塊;
(4) Optimation(Hutsrille, Ala)發布內裝以太網的I/O新產品;
(5) Automation 和Omron Electric聯合宣布的以太網I/O新產品已面市;
(6) GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化產品均支持與以太網的鏈接;
(7) Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產品，聲稱是使傳統的自動化控制器能訪問以太網的基礎結構;
(8) Action公司的子公司Busware公布以太網的E系列I/O模塊，
(9) 現在已有嵌入以太網芯片的智能現場總線設備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內裝有Web服務器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠程存取Altivar 58變頻器的各種數據。
1.3 網絡就是控制器
德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發布的Jetweb自動化系統立意新穎，它是基于100Mbps以太網的分布式智能控制系統，宣稱“網絡就是控制器”的觀點。
其特點是:
(1) 類似Internet的結構，對數據的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網絡的層次結;
(2) 對用戶來說，只有一組數據和一個程序，所有數據在網絡中只需表達一次，程序和數據均可以重復使用，網絡扮演真正服務器的作用;
(3) 從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網總線進行直接通信;
(4) 可連接到Internet，實現整個工廠全球化聯網;
(5) 以太網既是連接到各種智能模塊的系統總線，又是連接現場設備的現場總線，內部和外部的通信在此沒有什么區別，集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內部通信從外部通信中分離出來。
1.4 工業以太網的發展前景
Siemens Energy & Automation的網絡產品經理Horst Kohlbert說:“嵌入有以太網的現場設備，以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現實”。這個預言提示工業以太網即將進入現場控制級。但從目前的趨勢來看，已有的現場總線仍將繼續存在，不太可能退出歷史舞臺。在現場級，工業以太網能占領一定的市場，但它是否能作為實時控制通信的單一標準，一時難作定論，最有可能的是發展一種混合式控制系統。此外，并非每種現場總線都將被工業以太網總線所替代，如AS-i、CAN，這兩種現場總線就應用于二位I/O傳感器/執行器而言，無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數據，且總線可帶電;CAN最多傳輸8個字節)，還有一些專用總線，如SERCOS(用于數控，控制運動軸，為IEC61491國際標準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應用領域，均不適宜于工業以太網。另外，易燃、易爆(如化工、制藥)，以及環境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場合，也不適宜于應用工業以太網。
1.5工業以太網在我國的發展趨勢
由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業現場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業以太網已成為現場總線中的主流技術。
目前，在國際上有多個組織從事工業以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發布了基于高速以太網技術的現場總線設備，其研究目標是：攻克應用于工業控制現場的高速以太網的關鍵技術，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等問題，同時研究開發相關高速以太網技術的現場設備、網絡化控制系統和系統軟件。
這幾年來，我國在攻克以太網實時性、總線供電和遠距離傳輸等一系列難題方面已經取得了很大的成果。
但是，以太網用于工業控制目前尚處在研究及解決當中，主要有以下問題：
(1) 實時性問題；
(2) 可靠性問題；
(3) 安全性問題；
(4) 供電問題。
實時性問題是指傳統以太網由于采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測的通訊方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸會產生傳輸延滯。可靠性問題是指以太網若采用UDP協議時，它提供不可靠的無連接數據報傳輸服務，不提供報文到達確認、排序以及流量控制等功能，因此報文可能會丟失、重復以及亂序等。這些問題的解決，使以太網能夠滿足工業控制領域對傳輸延時要求，加快使其步入工業控制領域用于現場控制。
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