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基于工业Ethernet的现场实际应用及其策略
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摘要：本文较为详尽介绍了工业Ethernet在实时工业控制系统中的优势及不足之处，为将工业Ethernet较为成功地应用于实时工业控制领域，针对工业Ethernet网络结构、实时性、确定性以及生存性等问题提出了较为合理的改进措施，并给出了工业Ethernet用于在产品装配生产线的成功应用案例。
关键词：工业Ethernet；Internet；现场总线；企业管控一体化
1.基于工业Ethernet的控制系统的现状以及与FCS的比较
一个典型的企业网络信息集成系统可以分成三层结构：控制网Infranet、企业内部网 Intranet和全球信息互联网Internet。在企业级的Intranet以及国际互联网Internet无可厚非的采用事实标准：Ethernet，但在现场级的Infranet，由于受商业Ethernet的影响，工业控制业界人士提出了工业Ethernet的概念，因此此层分歧较大，目前讨论最多的便是FCS（Fieldbus control system）和工业Ethernet。
现场总线 （Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是基于现场对象的通信网络与控制系统的集成。FCS（Fieldbus control system）集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、多功能仪表、开放性、智能化、自治性等特性。然而迄今为止IEC61158规定的包括Profibus（Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA）、基金会现场总线FF（Ｈ１，IEC技术报告）、Interbus、 ControlNet、WorldFIP、 FF HSE，、Swift Net 以及P－Net在内的八种现场总线的通信协议有很大差异，互联非常困难，同时，FCS大多采用了ISO的参考模型中的物理层、数据链路层、应用层以及极具特色的用户层，为保证数据传输可靠性而使传输速度较低，无法满足控制的实时性要求，特别随着现场设备功能逐渐增强，现场控制设备之间以及现场控制设备与Intranet信息交换量成倍增加，使FCS在工业控制中的应用受到了一定的限制。这不但使FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，而且确实给用户的使用带来很大的不便，因此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的影响。
从Ethernet与现场总线的交叉发展趋势可以看出，两者将有机地结合起来。一方面由于受环境及特种技术的要求限制，现场总线的低端（即I/O端）仍采用低速网（如FF的H1，Device Net或Profibus的PA）将智能仪表等设备连接；另一方面一些兼容的智能设备采用中速网（如FF的H2或Profibus的DP）连接控制器、数据集中器、远程I/O及智能I/O设备；在厂级系统中，采用高速Ethernet连接各控制器与站级计算机，形成整个控制系统，这就是LAN/Fieldbus的网络结构
Ethernet本质上只是一个物理层标准，就象RS232/RS422A/RS485标准一样。但目前在传输层和网络层基本上已经统一，TCP/IP协议已为多数工业控制器厂家所接受。在应用层的协议上还存在着分歧，目前三个主要的竞争对手是Modbus/TCP（基于TCP/IP的Modbus协议）、EtherNet/IP（基于TCP/IP的ControlNet/DeviceNet）和基于Ethernet的Profibus协议。Modbus由于它本身是一个开放的协议，为众多的供货商所支持，所以如果说在现在工业Ethernet方面存在事实上的标准，则只能是Modbus/TCP。但从市场和利益角度考虑，工业Ethernet在应用层的统一还需要比较长的时间。由于Ethernet本身的开放性，它允许在同一个网络上运行不同的应用层协议，在许多实际应用中具有明显的无可替代的优势。工业Ethernet和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。因此Ethernet向控制系统底层延伸是必然的，Web SCADA将会成为众多企业实现管控信息一体化所选择的第一步。Web技术的渗透使过程I/O信号不再专属于某一个控制系统；虚拟仪器的出现更使多个用户能够不必亲临现场就可以监控多个过程。管控一体化的所有优势都基于数据的开放性。
2.工业Ethernet应用策略
2.1 通信实时性
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。由于Ethernet采用冲突检测载波监听多点访问(CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)机制解决通信介质层的竞争。Ethernet的这种机制导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。但随着互联网技术的发展和大面积推广应用，Ethernet也得到了迅速发展，使通信确定性和实时性得到了增强。主要通过如下途径：
（1）网络拓扑上，采用星型连接代替线性结构，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段(Segment)。
（2）用Ethernet交换技术，将网络冲突域进一步细化，在Ethernet交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。
（3）采用全双工通信技术，可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA/CD的约束，这样任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。
（4）通过降低网络负载和提高网络传输速率，可以使传统共享式Ethernet上的碰撞大大降低。
2.2 总线供电
所谓总线供电或总线馈电，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对现场设备的总线供电可采用不改变目前Ethernet的物理层结构，即应用于工业现场的Ethernet仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源。
2.3 互可操作性
互可操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。互可操作性是决定某一通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户所接受，并进行大面积推广应用的关键。要解决基于Ethernet的工业现场设备之间的互可操作性问题，唯一而有效的方法就是在Ethernet+TCP(UDP)/IP协议的基础上，制订统一并适用于工业现场控制的应用层技术规范，在应用层上增加用户层，将工业控制中的功能块FB(Function Block)进行标准化，不同自动化制造商的工控产品共同遵守标准化的应用层和用户层，就能实现它们之间的互可操作。
2.4 网络生存性
所谓网络生存性，是指Ethernet应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。包括以下几个方面的内容。(1)可靠性、(2)可恢复性、(3)可维护性等。为提高工业Ethernet的生存能力，提高基于Ethernet的控制系统的可用性，可采用在进行基于Ethernet的控制系统设计时，通过可靠性设计提高现场设备的可靠性或采用环型冗余结构Ethernet网络以提高系统的可恢复性，或采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。
2.5 网络安全性
目前工业Ethernet已经把传统的3层网络系统(即信息管理层、过程监控层、现场设备层)合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，同时它可以接入Internet，实现了数据的共享，使工厂高效率地运作，但与此同时也引入了一系列的网络安全问题。
对此，一般可采用网络隔离(如网关隔离)的办法将内部控制网络与外部网络系统分开，即交换机可以依据系统内事先设定的过滤逻辑，检查数据流中每个数据包的部分内容后，根据数据包的源地址、目的地址、所用的TCP端口与TCP链路状态等因素来确定是否允许数据包通过。只有完全满足包过滤逻辑要求的报文才能访问内部控制网络。
工业Ethernet有自身的缺陷，我们不能因噎废食，应该采取必要措施，利用其良好的一面，用我们的技术来弥补其缺憾。
3.基于eAutomation产品的实际应用案例
在本案例应用中，工业Ethernet应用在Infranet层中，还仅仅只是利用其高速传输数据的特性来传递现场的大量实时控制参数，是控制系统的一个接点，其双重作用，既是现地单元的实时控制器，同时也是局域网某一节点的控制器，它的内部和外部的数据通信几乎没有区别，即所谓的“网络就是控制器”的概念。在控制系统中Ethernet是控制器的一部分并作为连接现场智能控制模块的控制网络，网络集线器被集成在每个控制器中，通过分配空间把内部通信从外部通信中分离开来，此集线器技术和底层协议的集成确保了Ethernet的确定性和兼容性，几乎可以排除数据通信的碰撞问题，可以把Ethernet系统总线看作是现场总线，它可以连接到每个独立的智能控制模块，整个过程和系统被看作成一个逻辑单元，甚至一个独立的现场控制单元，不需考虑网络各层概念，由此就消除了CPU的瓶颈效应，所有数据在网络层中仅表达一次，网络扮演了真正服务器的角色，这正是工业Ethernet能成功地被应用到实时工业控制环境的一大理由，它使网络实现了从现场控制单元到Internet 、Intranet，管理层的直接通信。
图1为某工程研究设计院为某产品装配生产线而设计的基于工业Ethernet的网络结构图。各部分模块功能简介：
Ø通用网络控制器UNO－2053：板载低功耗300MHz级CPU、64MRAM、两个10M/100M自适应网卡、8路DI/DO、DB-15VGA连接器，可外挂HDD。操作系统可以是嵌入式的WinCE，也可是通用的Windows。
ØADAM5510： ADAM5510是基于 PC 的可独立完成数据采集与控制的可编程控制器，系统在恶劣的工业环境中可靠运行。ADAM5510具备通用编程功能，可用于信号的程控放大、模拟I/O、数字I/O及通讯参数的设定。内置实时钟和看门狗定时器，可应用于系统稳定性要求较高的场合。采用的DAS模块有：
ADAM5017：8路模拟量输入、16位分辨率；
ADAM5050：7路数字量输入（输入范围0～30V）、8路数字量输出；
ADAM5053：16路数字量输入（输入范围0～30V）；
整个系统的特性为：
Ø所有ADAM5510与UNO通用网络控制器采用RS-485进行数据通信；使系统网络拓扑图结构清晰，易于维护；
Ø条形码阅读器通过RS-232C与UNO通用网络控制器进行数据通信；
ØLCD显示器FPM－3150通过DB-15VGA连接器与UNO通用网络控制器进行连接；
Ø所有UNO通用网络控制器通过以太网与AWS8248V进行数据通信；
Ø每操作台之间的联系均通过网络构成，在每个操作点上都可以浏览整个生产线上的过程信息，操作方式较之传统方式更加简单可靠。
Ø由于采用了网络及现场总线传递过程数据，多种信息的交换仅依靠网缆或屏蔽双绞线即可完成，这样就大量减少了系统施工时的布线工作量，也为今后系统的维护及故障查找提供了方便。
Ø过程参数的数字化传递，避免了模拟量传输所带来的漂移、抗干扰等问题，大大提高了系统的稳定性。
Ø若今后机组工艺、设备发生变更，只需要在总线上增添或摘除相应节点，并对软件作少量修改即可。所以这种柔性的系统连接方式具有一定的适应性，可以最大程度地保护用户的投资。
4.结束语
90年代以Internet为代表的计算机网络通信技术的发展和应用取得了前所未有的突破和成功,正在逐步地变革着社会的生产方式和人们的生活方式,测控技术也受到了这场技术革命的深刻影响。工业Ethernet给控制网赋予了新的特性。以工业Ethernet为核心的测控技术是测控领域的重要发展方向，同时也是蓬勃发展的ＩＴ技术对测控工程师提出的一个新的挑战和机遇。
参考文献：
[1]冯冬芹.如何从DCS发展到FCS.世界仪表与自动化，2002(10).
[2]吴道虎,等.基于工业Ethernet的远程实时监控系统的设计与研制.世界仪表与自动化， 2002(2).
[3]朱荣.现场总线与网络集成.昆明理工大学学报，2001(1).
[4]阳先惠.互联网技术对现场总线技术发展的影响.世界仪表与自化,20021).
[5]http://www.industrialethernet.com
关键词：工业Ethernet；Internet；现场总线；企业管控一体化
1.基于工业Ethernet的控制系统的现状以及与FCS的比较
一个典型的企业网络信息集成系统可以分成三层结构：控制网Infranet、企业内部网 Intranet和全球信息互联网Internet。在企业级的Intranet以及国际互联网Internet无可厚非的采用事实标准：Ethernet，但在现场级的Infranet，由于受商业Ethernet的影响，工业控制业界人士提出了工业Ethernet的概念，因此此层分歧较大，目前讨论最多的便是FCS（Fieldbus control system）和工业Ethernet。
现场总线 （Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是基于现场对象的通信网络与控制系统的集成。FCS（Fieldbus control system）集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、多功能仪表、开放性、智能化、自治性等特性。然而迄今为止IEC61158规定的包括Profibus（Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA）、基金会现场总线FF（Ｈ１，IEC技术报告）、Interbus、 ControlNet、WorldFIP、 FF HSE，、Swift Net 以及P－Net在内的八种现场总线的通信协议有很大差异，互联非常困难，同时，FCS大多采用了ISO的参考模型中的物理层、数据链路层、应用层以及极具特色的用户层，为保证数据传输可靠性而使传输速度较低，无法满足控制的实时性要求，特别随着现场设备功能逐渐增强，现场控制设备之间以及现场控制设备与Intranet信息交换量成倍增加，使FCS在工业控制中的应用受到了一定的限制。这不但使FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，而且确实给用户的使用带来很大的不便，因此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的影响。
从Ethernet与现场总线的交叉发展趋势可以看出，两者将有机地结合起来。一方面由于受环境及特种技术的要求限制，现场总线的低端（即I/O端）仍采用低速网（如FF的H1，Device Net或Profibus的PA）将智能仪表等设备连接；另一方面一些兼容的智能设备采用中速网（如FF的H2或Profibus的DP）连接控制器、数据集中器、远程I/O及智能I/O设备；在厂级系统中，采用高速Ethernet连接各控制器与站级计算机，形成整个控制系统，这就是LAN/Fieldbus的网络结构
Ethernet本质上只是一个物理层标准，就象RS232/RS422A/RS485标准一样。但目前在传输层和网络层基本上已经统一，TCP/IP协议已为多数工业控制器厂家所接受。在应用层的协议上还存在着分歧，目前三个主要的竞争对手是Modbus/TCP（基于TCP/IP的Modbus协议）、EtherNet/IP（基于TCP/IP的ControlNet/DeviceNet）和基于Ethernet的Profibus协议。Modbus由于它本身是一个开放的协议，为众多的供货商所支持，所以如果说在现在工业Ethernet方面存在事实上的标准，则只能是Modbus/TCP。但从市场和利益角度考虑，工业Ethernet在应用层的统一还需要比较长的时间。由于Ethernet本身的开放性，它允许在同一个网络上运行不同的应用层协议，在许多实际应用中具有明显的无可替代的优势。工业Ethernet和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。因此Ethernet向控制系统底层延伸是必然的，Web SCADA将会成为众多企业实现管控信息一体化所选择的第一步。Web技术的渗透使过程I/O信号不再专属于某一个控制系统；虚拟仪器的出现更使多个用户能够不必亲临现场就可以监控多个过程。管控一体化的所有优势都基于数据的开放性。
2.工业Ethernet应用策略
2.1 通信实时性
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。由于Ethernet采用冲突检测载波监听多点访问(CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)机制解决通信介质层的竞争。Ethernet的这种机制导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。但随着互联网技术的发展和大面积推广应用，Ethernet也得到了迅速发展，使通信确定性和实时性得到了增强。主要通过如下途径：
（1）网络拓扑上，采用星型连接代替线性结构，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段(Segment)。
（2）用Ethernet交换技术，将网络冲突域进一步细化，在Ethernet交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。
（3）采用全双工通信技术，可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA/CD的约束，这样任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。
（4）通过降低网络负载和提高网络传输速率，可以使传统共享式Ethernet上的碰撞大大降低。
2.2 总线供电
所谓总线供电或总线馈电，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对现场设备的总线供电可采用不改变目前Ethernet的物理层结构，即应用于工业现场的Ethernet仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源。
2.3 互可操作性
互可操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。互可操作性是决定某一通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户所接受，并进行大面积推广应用的关键。要解决基于Ethernet的工业现场设备之间的互可操作性问题，唯一而有效的方法就是在Ethernet+TCP(UDP)/IP协议的基础上，制订统一并适用于工业现场控制的应用层技术规范，在应用层上增加用户层，将工业控制中的功能块FB(Function Block)进行标准化，不同自动化制造商的工控产品共同遵守标准化的应用层和用户层，就能实现它们之间的互可操作。
2.4 网络生存性
所谓网络生存性，是指Ethernet应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。包括以下几个方面的内容。(1)可靠性、(2)可恢复性、(3)可维护性等。为提高工业Ethernet的生存能力，提高基于Ethernet的控制系统的可用性，可采用在进行基于Ethernet的控制系统设计时，通过可靠性设计提高现场设备的可靠性或采用环型冗余结构Ethernet网络以提高系统的可恢复性，或采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。
2.5 网络安全性
目前工业Ethernet已经把传统的3层网络系统(即信息管理层、过程监控层、现场设备层)合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，同时它可以接入Internet，实现了数据的共享，使工厂高效率地运作，但与此同时也引入了一系列的网络安全问题。
对此，一般可采用网络隔离(如网关隔离)的办法将内部控制网络与外部网络系统分开，即交换机可以依据系统内事先设定的过滤逻辑，检查数据流中每个数据包的部分内容后，根据数据包的源地址、目的地址、所用的TCP端口与TCP链路状态等因素来确定是否允许数据包通过。只有完全满足包过滤逻辑要求的报文才能访问内部控制网络。
工业Ethernet有自身的缺陷，我们不能因噎废食，应该采取必要措施，利用其良好的一面，用我们的技术来弥补其缺憾。
3.基于eAutomation产品的实际应用案例
在本案例应用中，工业Ethernet应用在Infranet层中，还仅仅只是利用其高速传输数据的特性来传递现场的大量实时控制参数，是控制系统的一个接点，其双重作用，既是现地单元的实时控制器，同时也是局域网某一节点的控制器，它的内部和外部的数据通信几乎没有区别，即所谓的“网络就是控制器”的概念。在控制系统中Ethernet是控制器的一部分并作为连接现场智能控制模块的控制网络，网络集线器被集成在每个控制器中，通过分配空间把内部通信从外部通信中分离开来，此集线器技术和底层协议的集成确保了Ethernet的确定性和兼容性，几乎可以排除数据通信的碰撞问题，可以把Ethernet系统总线看作是现场总线，它可以连接到每个独立的智能控制模块，整个过程和系统被看作成一个逻辑单元，甚至一个独立的现场控制单元，不需考虑网络各层概念，由此就消除了CPU的瓶颈效应，所有数据在网络层中仅表达一次，网络扮演了真正服务器的角色，这正是工业Ethernet能成功地被应用到实时工业控制环境的一大理由，它使网络实现了从现场控制单元到Internet 、Intranet，管理层的直接通信。
图1为某工程研究设计院为某产品装配生产线而设计的基于工业Ethernet的网络结构图。各部分模块功能简介：
Ø通用网络控制器UNO－2053：板载低功耗300MHz级CPU、64MRAM、两个10M/100M自适应网卡、8路DI/DO、DB-15VGA连接器，可外挂HDD。操作系统可以是嵌入式的WinCE，也可是通用的Windows。
ØADAM5510： ADAM5510是基于 PC 的可独立完成数据采集与控制的可编程控制器，系统在恶劣的工业环境中可靠运行。ADAM5510具备通用编程功能，可用于信号的程控放大、模拟I/O、数字I/O及通讯参数的设定。内置实时钟和看门狗定时器，可应用于系统稳定性要求较高的场合。采用的DAS模块有：
ADAM5017：8路模拟量输入、16位分辨率；
ADAM5050：7路数字量输入（输入范围0～30V）、8路数字量输出；
ADAM5053：16路数字量输入（输入范围0～30V）；
整个系统的特性为：
Ø所有ADAM5510与UNO通用网络控制器采用RS-485进行数据通信；使系统网络拓扑图结构清晰，易于维护；
Ø条形码阅读器通过RS-232C与UNO通用网络控制器进行数据通信；
ØLCD显示器FPM－3150通过DB-15VGA连接器与UNO通用网络控制器进行连接；
Ø所有UNO通用网络控制器通过以太网与AWS8248V进行数据通信；
Ø每操作台之间的联系均通过网络构成，在每个操作点上都可以浏览整个生产线上的过程信息，操作方式较之传统方式更加简单可靠。
Ø由于采用了网络及现场总线传递过程数据，多种信息的交换仅依靠网缆或屏蔽双绞线即可完成，这样就大量减少了系统施工时的布线工作量，也为今后系统的维护及故障查找提供了方便。
Ø过程参数的数字化传递，避免了模拟量传输所带来的漂移、抗干扰等问题，大大提高了系统的稳定性。
Ø若今后机组工艺、设备发生变更，只需要在总线上增添或摘除相应节点，并对软件作少量修改即可。所以这种柔性的系统连接方式具有一定的适应性，可以最大程度地保护用户的投资。
4.结束语
90年代以Internet为代表的计算机网络通信技术的发展和应用取得了前所未有的突破和成功,正在逐步地变革着社会的生产方式和人们的生活方式,测控技术也受到了这场技术革命的深刻影响。工业Ethernet给控制网赋予了新的特性。以工业Ethernet为核心的测控技术是测控领域的重要发展方向，同时也是蓬勃发展的ＩＴ技术对测控工程师提出的一个新的挑战和机遇。
参考文献：
[1]冯冬芹.如何从DCS发展到FCS.世界仪表与自动化，2002(10).
[2]吴道虎,等.基于工业Ethernet的远程实时监控系统的设计与研制.世界仪表与自动化， 2002(2).
[3]朱荣.现场总线与网络集成.昆明理工大学学报，2001(1).
[4]阳先惠.互联网技术对现场总线技术发展的影响.世界仪表与自化,20021).
[5]http://www.industrialethernet.com
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