工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場控制技術(shù)的發(fā)展

聶新年

（馬鋼股份有限公司粉末冶金公司，安徽馬鞍山243000）

1 現(xiàn)場總線簡介

1.1 現(xiàn)場總線的定義

現(xiàn)代制造型企業(yè)信息化一般可劃分為三層：

（1）計(jì)劃層，以ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）或ERPⅡ?yàn)榇恚?/p>

（2）執(zhí)行層，以MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表；

（3）控制層，如PLC等自動(dòng)化硬件以及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。

隨著技術(shù)的發(fā)展，車間控制層從單機(jī)自動(dòng)化的時(shí)代，已經(jīng)過渡到工廠自動(dòng)化（FA）時(shí)代。對(duì)工廠自動(dòng)化或車間自動(dòng)化來說，工業(yè)現(xiàn)場的所有設(shè)備和控制裝置，必須有一種雙向互聯(lián)的通信技術(shù)連接到一起，來解決智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。這種通信系統(tǒng)，就是現(xiàn)場總線，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。IEC（International Electrotechnical Commission，國際電工委員會(huì)）對(duì)現(xiàn)場總線的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)包括8 種類型的現(xiàn)場總線，如 ControlNet、Profibus、PNet、SwiftNet、Interbus等。

1.2 應(yīng)用中的局限性

現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用中還存在以下局限性：

（1）現(xiàn)場設(shè)備計(jì)算能力較低，控制集中，難以實(shí)現(xiàn)全分散控制；

（2）現(xiàn)場總線位于系統(tǒng)的底層，開放性不足，數(shù)據(jù)通信存在瓶頸，難以與上層信息系統(tǒng)集成；

（3）各種類型的現(xiàn)場總線之間存在較大差異，不能實(shí)現(xiàn)互操作，不同總線之間難以集成；

（4）現(xiàn)場總線中的控制器運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)信息共享，導(dǎo)致系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。

而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，正好可以彌補(bǔ)以上不足，并在現(xiàn)場控制中得到了廣泛應(yīng)用與迅速發(fā)展。事實(shí)上，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為一種新的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線

2.1 以太網(wǎng)及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)介紹

以太網(wǎng)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代，是一種總線式局域網(wǎng)，采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）協(xié)議，1985年，IEEE 802委員會(huì)吸收以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)是現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括在局域網(wǎng)中采用的電纜類型和信號(hào)處理方法。以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以100~1000 Mbps甚至更高的速率傳輸信息包。以太網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩大類：

（1）數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如工作站、服務(wù)器、智能設(shè)備等；

（2）數(shù)據(jù)通信設(shè)備，接收和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包，如中繼器、交換機(jī)和路由器等。

早期以太網(wǎng)一般采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)在多為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。總線型結(jié)構(gòu)采用分布式媒體訪問控制方法，主干故障會(huì)造成全網(wǎng)癱瘓，站點(diǎn)較多時(shí)，數(shù)據(jù)沖突增多造成低效率。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用集中式媒體訪問控制方法，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，信息延遲確定。

工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上和商業(yè)以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，傳輸對(duì)象主要為工廠控制信息，要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性與可靠性；在使用上，要滿足工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境要求，如：耐高溫、耐腐蝕、防塵、防水、電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN 50081-2、EN 50082-2標(biāo)準(zhǔn)、安裝方便等[3]。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢

以太網(wǎng)的最初設(shè)計(jì)并未考慮工業(yè)應(yīng)用，但由于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用廣泛、成本低廉、接口方便，在工業(yè)現(xiàn)場控制中迅速發(fā)展。一方面彌補(bǔ)了現(xiàn)有總線技術(shù)的不足，另一方面也使得工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)越來越成熟，與現(xiàn)場總線相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易為人們所掌握，以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)為同軸電纜、雙絞線、光纖等。以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)開放式網(wǎng)絡(luò)，遵從TCP/IP協(xié)議，相關(guān)技術(shù)支持全面，兼容性好，一些硬件如路由器、交換機(jī)均已成為通用設(shè)備，有著廣泛的技術(shù)支持，成本相當(dāng)?shù)土?，企業(yè)當(dāng)中不同廠商的設(shè)備通過以太網(wǎng)很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，而且工業(yè)以太網(wǎng)又能與辦公以太網(wǎng)輕易實(shí)現(xiàn)無縫集成。此外，由于以太網(wǎng)是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通用的編程語言基本都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，這就極大方便了用戶的后期維護(hù)與技改工作。由于以太網(wǎng)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠直接與Internet實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，所以工業(yè)現(xiàn)場通過以太網(wǎng)可以便捷的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、共享遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫資源。從這點(diǎn)來說，無論是實(shí)施CIMS，還是企業(yè)管理信息化整合，工業(yè)以太網(wǎng)都將作為有力的支撐，是現(xiàn)場控制的首選技術(shù)。

3 現(xiàn)場控制的現(xiàn)存問題

3.1 可靠性不足

工業(yè)以太網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比，為滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，需達(dá)到以下要求：

（1）環(huán)境適應(yīng)性，包括機(jī)械特性（耐振動(dòng)、沖擊）、環(huán)境特性（工作溫度、耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性等。

（2）數(shù)據(jù)傳輸可靠性，以太網(wǎng)的典型通訊特點(diǎn)是隨機(jī)接入、載波偵聽、碰撞檢測和沖突競爭。目前以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，傳輸速度從早期l0 Mbps發(fā)展到目前的1000 Mbps，并開始引入流量控制機(jī)制，但由于采用沖突競爭的傳輸方式，其同樣具有傳輸不確定性的特點(diǎn)，亦即從理論上講，任何變量都不能完全確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送成功[7]。

3.2 存在實(shí)時(shí)性差，不確定性問題

工業(yè)以太網(wǎng)需要確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，這點(diǎn)與商業(yè)應(yīng)用不同。工業(yè)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是硬性的，常常涉及生產(chǎn)設(shè)備和人員安全。由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是采用CSMA/CD的訪問控制機(jī)制，這種訪問機(jī)制只確定信號(hào)傳輸路徑，并不區(qū)分信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，所以存在數(shù)據(jù)排隊(duì)延遲不確定的缺陷。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)，通信時(shí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息；此外如檢測到信息發(fā)生碰撞，還需要退出重發(fā)。因此無法保證確定的排隊(duì)延遲和通信響應(yīng)的確定性，不能滿足工業(yè)過程控制在實(shí)時(shí)性上的要求，從而制約了其在工業(yè)控制中的應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，目前主要是由以下幾點(diǎn)保證：限制工業(yè)以太網(wǎng)的通信負(fù)荷，采用1000 Mbps的快速以太網(wǎng)技術(shù)提高帶寬，采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)和全雙工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD機(jī)制。

3.3 安全問題

以太網(wǎng)本質(zhì)上不是一個(gè)安全的系統(tǒng)，采用TCP/IP協(xié)議使其在與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)獲得極大的便利，但也同時(shí)帶來了較為嚴(yán)重網(wǎng)絡(luò)安全問題。網(wǎng)絡(luò)中的病毒、黑客入侵與非法操作，都必須加以嚴(yán)密防范。常見的攻擊有病毒攻擊與MAC攻擊，病毒攻擊會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)流入工業(yè)以太網(wǎng)，加大了它的通信負(fù)荷，影響實(shí)時(shí)性。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通常是二層交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)依賴MAC地址保證數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)發(fā)，如果MAC地址和該端口的映射關(guān)系失效，交換機(jī)就會(huì)停止正常的網(wǎng)絡(luò)傳輸過濾。在傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)中，上下級(jí)網(wǎng)段采用不同的協(xié)議，并使用防火墻防止來自外部的非法訪問，不同網(wǎng)段之間不實(shí)現(xiàn)互操作。但現(xiàn)代企業(yè)信息化中，越來越多的需要利用工業(yè)以太網(wǎng)將控制層和管理層連接起來，上下級(jí)網(wǎng)段使用相同的協(xié)議，并具有互操作性，這時(shí)就要使用兩級(jí)防火墻，第二級(jí)的防火墻用于屏蔽內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的非法訪問和對(duì)不同權(quán)限的合法用戶授權(quán)。此外要采取嚴(yán)格的權(quán)限管理措施，由于工廠應(yīng)用專業(yè)性很強(qiáng)，進(jìn)行權(quán)限管理能有效避免非授權(quán)操作。目前，IT網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)相對(duì)豐富和成熟，在控制層的工業(yè)以太網(wǎng)一方面可以借鑒這些安全技術(shù)，但是同時(shí)必須保證工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)，提高實(shí)時(shí)性。在防止關(guān)鍵信息竊取方面，由于工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送的多為周期性的短信息，所以可采用較為安全的非對(duì)稱密碼體制。

4 發(fā)展趨勢

4.1 高效性

工業(yè)以太網(wǎng)的高效性包括穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和安全性等方面。穩(wěn)定性，指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)高溫、振動(dòng)、潮濕等惡劣環(huán)境有完備的電氣防護(hù)；實(shí)時(shí)性和安全性，是每一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠家都十分關(guān)注的問題。目前通過QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）機(jī)制，使重要的數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先傳輸，可以有效地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，支持HTTPS和SSH協(xié)議，允許數(shù)據(jù)在加密的格式下傳輸，可以提升系統(tǒng)的安全性。此外，MAC地址鎖定、地址過濾、過濾廣播信號(hào)、VLAN、VPN及帶寬管理等多種技術(shù)，都對(duì)提高系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)性有一定的幫助。在2009漢諾威工業(yè)博覽會(huì)（Hannover Fair 2009）上，德國Harting公司推出了Ha-VIS“快速軌道交換”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將所有自動(dòng)化信號(hào)繞過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)直接通過交換機(jī)，如果當(dāng)交換機(jī)正在處理一個(gè)IT信號(hào)時(shí)，一個(gè)工業(yè)信號(hào)被發(fā)送過來，那么前者的處理過程將被立即中斷，讓工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)優(yōu)先傳輸，直到該信號(hào)完全通過了交換機(jī)，IT信號(hào)才會(huì)重新開始傳輸。使用該技術(shù)的交換機(jī)，能夠與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完美契合，從而保證了現(xiàn)場級(jí)的確定性數(shù)據(jù)傳輸[2]。

4.2 端到端的QoS與組播技術(shù)

雖然以太網(wǎng)的帶寬越來越大，但不斷出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)和應(yīng)用，對(duì)帶寬的要求也越來越高，僅僅提高帶寬已經(jīng)無法滿足應(yīng)用的要求，也無法保證傳輸?shù)母咝?。如何保證網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用端到端的QoS，已成為現(xiàn)今以太網(wǎng)面臨的最大挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用迫切需要設(shè)備對(duì)QoS的支持向邊緣和接入層次發(fā)展。在過去，網(wǎng)絡(luò)中高QoS價(jià)格昂貴，但是隨著ASIC（專用集成電路）技術(shù)的發(fā)展，使低端設(shè)備具備強(qiáng)大的QoS能力成為可能，網(wǎng)絡(luò)的QoS已經(jīng)從集中保證逐漸向端到端保證過渡。組播作為一種與單播并列的傳輸方式，其意義不僅在于減少網(wǎng)絡(luò)資源的占用，提高擴(kuò)展性，還在于利用網(wǎng)絡(luò)的組播特性，方便地提供一些新的業(yè)務(wù)。隨著網(wǎng)絡(luò)中多媒體業(yè)務(wù)的日漸增多，組播的優(yōu)越性和重要性越來越明顯。協(xié)議的完善將促進(jìn)組播應(yīng)用的發(fā)展，在商業(yè)以太網(wǎng)中，組播技術(shù)研究已經(jīng)非常成熟，工業(yè)以太網(wǎng)可以充分利用現(xiàn)有的組播技術(shù)并轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用。

此外，以太網(wǎng)的分布式控制、交換機(jī)的智能識(shí)別與轉(zhuǎn)發(fā)、交換機(jī)與路由的融合等技術(shù)，也是以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢[8]。

5 結(jié)束語

可以看出，雖然工業(yè)以太網(wǎng)用于現(xiàn)場控制仍存在不足之處，但由于其標(biāo)準(zhǔn)的開放性，接口方便，成本低廉，深受用戶歡迎。以太網(wǎng)使用廣泛，技術(shù)上能得到持續(xù)支持與改進(jìn)，在工業(yè)現(xiàn)場控制中可持續(xù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

[1]翟 諾，趙 琳，申 敏.工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制中應(yīng)用的探討[J].信息技術(shù)，2009，(6)：160-162.

[2]Michael Babb.標(biāo)準(zhǔn)辦公室以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)融合的解決方案[J].軟件，2009，(10)：6.

[3]王 琳.以太網(wǎng)技術(shù)在工程上的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2009，(11)：81-83.

[4]李國厚.以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用綜述（一）[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2006，(3)：15-16.

[5]李國厚.以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用綜述（二）[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2006，(4)：12-16.

[6]繆學(xué)勤.現(xiàn)場總線技術(shù)的最新進(jìn)展[J].自動(dòng)化儀表，2000，(6)：1-4.

[7]芶建兵.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)可靠性探討[J].自動(dòng)化博覽，1999，(6)：26-28.

[8]工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢淺析[DB/OL]http://info.machine.hc360.com/2009/11/25082882447-5.