正在進入控制領域的工業以太網

　　 幾年前，當現場總線大戰硝煙正濃時，傳統上用于辦公室和商業的以太網卻悄悄地進入了控制領域。近來以太網更是走向前臺，發展迅速，頗引人注目。究其原因，是由于工業自動化系統正向分布化、智能化的實時控制方面發展，其中，通信已成為關鍵，用戶對統一的通信協議和網絡的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術的飛速發展，要求企業從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架，但目前的現場總線尚不能滿足這些要求。應該說，現場總線的出現確實給工業自動化帶來一場深層次的革命，但多種現場總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實現高速的實時數據傳輸，信息網絡存在協議上的鴻溝導致出現“自動化孤島”等，促使人們開始尋求新的出路，并關注到以太網。以太網有以下優點：

　　 　　(1)具有相當高的數據傳輸速率(目前已達到100Mb/s)，能提供足夠的帶寬；

　　 　　(2)由于具有相同的通信協議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術)世界；

　　 　　(3)能在同一總線上運行不同的傳輸協議，從而能建立企業的公共網絡平臺或基礎構架；

　　 　　(4)在整個網絡中，運用了交互式和開放的數據存取技術；

　　 　　(5)沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具，成為事實上的統一標準；

　　 　　(6)允許使用不同的物理介質和構成不同的拓撲結構。

　　 　　至于以太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現、優先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數據傳輸速率，仔細地選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可將發生數據沖突的概率降到最低。此外，如Hirschmann公司已開發出一系列加固的、適合用于工業環境的密封和抗振動的以太網器件，如導軌式收發器、集線器、切換器、連接件等；Woodhead Connectivity公司推出保護等級為IP67的RJ-45連接器件。凡此種種，給以太網進入實時控制領域創造了條件。正因為如此，ARC(Automation Research Company)預測今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協議。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發布的調查報告中預測，在工業控制應用領域，以太網的世界市場份額將由1998年的8.4%躍升為2003年的22%，是各種總線中升幅最大的。

　　 　　 　　目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網進入控制領域的工作，如IEEE(美國電氣和電子工程師協會)正在著手制訂現場總線和以太網通信的新標準。該標準將使網絡能看到“對象”。IAONO(工業自動化開放網絡聯盟)最近與ODVA和IDA集團就共同推進Ethernet和TCP/IP達成共識。ODVA(DeviceNet供應商協會)于2000年3月17日發布了一個為在工廠基層使用以太網服務的工業標準。FF(現場總線基金會)于2000年3月29日公布了高速以太網(100Mb/s)的最終技術規范(FSI1.0)。工業以太網協會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作，開展工業以太網關鍵技術的研究。目前1000Mb/s以太網的發展已進入實用階段，雖然其價格還比較昂貴。由以上分析可知，以太網進入工業控制領域是一個不可忽視的發展趨勢。本文概要介紹工業以太網最近的一些進展，并對今后的展望作一些探討。

　　 　　 　　一 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)，如圖1所示。

　　 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的模塊應用于三菱 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)類似于對兩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。IDA的模型如圖2所示。 　　 　　

　　 二 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802.11和802.11b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 direct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，如圖3所示。

　　 　　 此外，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。

　　 　　 三 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100Mb/s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構；(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。

　　 　　 　　四 小結 　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。

　　 　　 　　綜上所述，已有的現場總線有它自己的市場定位，將來仍將保持這種狀況，或與工業以太網相結合。現場總線不可能為工業以太網所替代，但后者發展的巨大潛力決不容忽視，其應用領域定將不斷地得到擴展