4 工業以太網技術的發展 4.1信息傳輸實時性和確定性的改進 最近幾年來，以太網技術以來有了長足的進步。其中，交換式以太網技術、高速以太網技術、虛擬局域網（VLAN）技術、全雙工通信技術、IP的服務質量（QoS）技術的發展與相互結合和應用，大大的提高了以太網系統中信息傳輸的實時性、確定性。 首先，采用以太網交換機，將網絡分成若干網段，以太網交換機具有數據存儲、轉發功能，使各端口之間的輸入輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生沖突；同時交換機還對網絡上傳輸的數據進行包過濾，使每個網段內節點之間數據的傳輸僅限于本地網段內進行，而不需要經過主干網，也不占用其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。 其次，以太網的通信速率從10Mbps，100Mbps發展到現在的1000Mbps，10Gbps，在數據吞吐量相同的情況下，通信介質的占用時間大大降低，有效地降低了網絡碰撞的概率。 另外，在應用過程中，系統可采用全雙工通信技術可以使端口之間的兩對雙絞線（或光纖）分別同時接收和發送數據，從而使系統不再受到CSMA／CD的約束，這樣，任一節點發送報文幀時不會再發生碰撞，沖突域也就不復存在，不會產生方式沖突。還可以采用虛擬局域網（VLAN）技術對網絡系統進行不同的功能層、不同的部門區分的邏輯劃分，增強網絡系統中數據傳輸的實時性、安全性和確定性。IP的服務質量（QoS）技術的應用則能使我們在網絡系統中區分實時和非實時數據，識別數據的優先級，實時監控網絡系統中實時數據傳輸，優化、控制網絡通信負荷，提高系統中數據傳輸的實時性、確定性。 4.2通信可靠性的改進 為了適應工業現場惡劣環境的要求，一些廠家已經推出了工業級的以太網設備，用以提高以太網的可靠性。在實際應用中，主干網絡可采用光纖傳輸，現場設備的連接可采用屏蔽雙絞線。對于重要的網段和節點的通信器件采用冗余配置和自動無擾切換，在可能的情況下配置一個實時監控軟件，不斷監視整個網絡的通信狀況以及每一個節點的軟硬件工作情況，一旦發現異常，就能夠迅速將故障節點隔離開來，并做出相應報警。所有這些手段都可以有效地提高以太網通信的可靠性和穩定性。 4.3工業以太網協議 由于商用計算機普遍采用的應用層協議不能適應工業過程控制領域現場設備之間的以太網要求，所以必須在以太網和TCP／IP協議的基礎上，建立完整有效的通信服務模型，制定有效的以太網服務機制，協調好工業現場控制系統中實時與非實時信息的傳輸，形成被廣泛接受的應用層協議，也就是所謂的工業以太網協議。日前已經制定的工業以太網協議有MODBUS／TCP、ProfiNet、Ethernet／IP、HSE等。 （1）法國施奈德公司推出透明工廠的戰略使其成為工業以太網應用的堅決倡導者，該公司于1999年公布了MODBUS／TCP協議。MODBUS／TCP協議以一種非常簡單的方式將MODBUS幀嵌入TCP幀中。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應答。這種呼叫／應答的機制與MODBUS的主從機制相互配合，使交換式以太網具有很高的確定性。利用TCP／IP協議，通過網頁的形式可以使用戶界面更加友好，并且利用網絡瀏覽器就可以查看企業網內部的設備運行情況。施奈德公司已經為MODBUS注冊了502端口，這樣就可以將實時數據嵌入到網頁中，通過在設備中嵌入Web服務器，就可以將Wcb瀏覽器作為設備的操作終端。 （2）德國西門子公司于2001年發布其工業Ethernet的規范，稱為ProfiNet。該規范主要包括三方面的內容： ●基于組件的對象模型（COM）的分布式自動化系統； ●規定了ProfiNet現場總線和標準以太網之間開放透明通信； ●提供了一個獨立于制造商，包括設備層和系統層的模型。ProfiNet的基礎是組件技術，在ProfiNet中，每一個設備都被看成是一個具有COM接口的自動化設備，同類設備都具有相同的COM接口。在系統中可以通過調用COM接口來調用設備功能。組件對象模型使不同制造商遵循同一個原則創建的組件之間可以混合使用，簡化了編程。每一個智能設備都有一個標準組件，智能設備的功能通過對組件進行特定的編程來實現。同類設備具有相同的內置組件，對外提供相同的COM接口。為不同設備的廠家之間提供了良好的互換性和互操作性。 （3）美國羅克韋爾公司于2000年分布工業Ethernet規范，稱為Ethernet／IP。Ethernet／IP是一種工業網絡標準，它很好地采用了當前應用廣泛的以太網通信芯片以及物理媒體。IP代表Industrial Protocol，以此來與普通的以太網進行區別。它是將傳統的以太網應用于工業現場層的一種有效方法，允許工業現場設備交換實時性強的數據。Ethernet／IP模型由IEEE802.3標準的物理層和數據鏈路層、以太網TCP／IP協議和控制與信息協議CIP三部分組成。CIP是一個端到端的面向對象并提供了工業設備和高級設備之間的連接的協議，CIP有兩個主要目的，一是傳輸同I／O設備相聯系的面向控制的數據，二是傳輸同其它被控系統相關的信息，如組態、參數設置和診斷等。CIP協議規范主要由對象模型、通用對象庫、設備行規、電子數據表、信息管理等組成。 基金會現場總線FF于2000年分布工業Ethernet規范，稱為HSE。HSE是以太網協議IEEE802.3、TCP／IP協議族和FF H1的結合體。FF現場總線基金會將HSE定位于實現控制網絡與Ethernet的集成。由HSE連接設備將H1網段信息傳輸到以太網的主干網上，這些信息可以通過互連網送到主控室，并進一步送到企業的ERP和管理系統。操作員可以在主控室直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況，現場設備也可以通過網絡獲得控制信息。 5 工業以太網的應用 5.1工業以太網的應用示例 隨著生產過程自動化水平的提高及網絡建設的同步跟進，不少企業網絡已覆蓋到企業的各廠和各個車間，使現場設備層及生產監控層的DCS、PLC系統各個功能有可能得到更好的利用，為充分發揮信息在企業管理中的效益提供了良好的環境。因此建立統一的信息管理平臺，使有使用價值的信息不致沉淀及流失，從更高層次發揮管理信息的效益是高層管理人員普遍關注的。信息平臺建設是為指導發展生產服務的，為了提高科學管理和決策水平，建設重點應放在主線上。現以某冶煉企業為例，由于系統相當龐大和復雜，在企業平臺建設中，以下子系統被考慮成重點建設對象。 （1）生產計劃管理系統 它可以按照各種生產指標并根據公司的生產能力制定出公司的年、季、月產品產量計劃和各種消耗定額等；按照產品產量計劃及消耗定額，編制原、燃料、水電消耗計劃；按照產品產量計劃制定各部門的工作計劃。 （2）生產調度指揮系統 它是整個生產管理的智能管理中心，是集數據通信、處理、采集、協調、圖文顯示為一體的綜合數據應用系統，能在各種情況下準確、可靠、迅捷地做出反應及時處理生產過程中產生的問題，協調各車間工作，達到實時、合理監控的目的。為各級管理者提供實時生產信息（過程數據、分析數據），精確地監視生產過程，以提高生產過程控制水平和設備的監控能力。 （3）辦公自動化系統 它通過文件管理、信息服務、個人事宜和辦公管理等子功能模塊以實現文件的起草、校稿、批閱和存檔以及公司會議的通知、記錄等形式的自動化辦公。 （4）財務管理系統 它采用專用財務管理軟件，由專業財務人員進行操作。它將有關財務管理軟件進行無縫集成，以方便使用和維護。 （5）物資管理系統 物資管理就是通過用料申請計劃、采購、倉儲、保管、領用等活動，解決物資供需之間存在的時間、空間、數量、品種、規格以及價格和質量等方面的矛盾，銜接好生產中的各個環節，確保生產的順利進行。 （6）設備管理系統 通過設備管理系統，設備管理部門可以對各車間的設備進行信息管理，包括查看設備的運行狀況，對設備安排檢修，查看設備的檢修記錄，添加設備，報廢設備等操作。 （7）視頻監控系統 通過遍布各個關鍵崗位的攝相頭，可以實時地監控各關鍵崗位的工作情況以及重要設備運行情況，并保存（如大約一周左右的）錄像資料。 由于信息管理平臺具備相關生產工藝過程基本數據的采集、傳輸、處理、顯示與化驗數據分析、統計等功能，對生產調度、生產指揮、生產協調起到了積極的作用，最終，使反映生產工藝過程的基礎數據得到及時反映，為生產過程中出現問題快速做出決策，提供了積極的手段和方法，增加了處理問題的靈活性、機動性。更為關鍵的是，借助生產信息化管理系統，給管理人員注入了新的生產管理理念，同時也為企業帶來了明顯的經濟效益。 5.2系統設計原則 生產管理信息系統，是集“管、調、控、監”于一體的自動化系統。系統設計中，應遵循“安全可靠、經濟實用、整體技術先進”的原則。安全可靠，由于產品生產是工藝流程化的生產過程，為確保生產的連續、穩定運行，軟件設計上，應邏輯嚴密，連鎖完備，保證系統穩定可靠運行。經濟實用，就是系統在設計上，在采用先進技術和設備的同時，也要注意技術的實用性，設計中盡量采用成熟的技術和設備，避免造成不必要的損失。整體技術先進，根據項目的需求，結合工程項目經驗，力求建立一個完善的體系結構，使計算機系統能夠在最大限度上滿足用戶不斷增長的業務需求和變化，可不斷利用迅速發展中的計算機技術和產品，重用性好，擴展方便。系統在整體設計上，起點要高，要反映當代的技術水平，并以此為基礎，為企業創造良好的社會經濟效益。 5.3系統總體設計 生產管理信息系統平臺建設，涉及整個企業的各個生產車間及各個管理部門，為保證系統的可擴展性，在原生產線上軟、硬件充分發揮作用的前提下，盡量利用已有的資源，因此在總體結構上，可采用分層設計；在功能上宜采用獨立模塊結構。 （1）系統硬件結構 根據某企業的實際情況，系統配置的硬件結構圖如圖1所示。MIS服務器：選用Dell產品，采用冗余技術和恢復技術，保證數據存儲安全。采用訪問認證技術，防止非法侵入或越級訪問，保證應用安全。 WEB服務器：選用Dell產品，采用訪問認證技術，防止非法侵入或越級訪問，保證應用安全。 實時數據庫：采用Wonderware的InSQL8.0實時關系型工廠用數據庫系統。 操作系統：采用WINDOWS 2000／2003／NT。 關系數據庫：MS SQL Server 2000 工作站：選用Dell產品：CUP P4 3.0G RAM DDR512MB內存 通信協議：TCP／IP、PROFIBUS－DP、MODBUS、OPC、DH＋等，以TCP／IP為主，其他為工業過程控制專用協議。 （2）系統軟件結構 根據用戶要求采用C／S與B／S混合結構。系統的C／S結構：支持數據管理，支持多用戶高效并發訪問，可有效地解決企業地理數據庫中的版本沖突等問題，數據存儲更加安全有效，能滿足數據編輯、高級空間分析等功能。系統的B／S結構：同樣也支持數據管理，支持多用戶高效并發訪問，也可有效地解決企業地理數據庫中的版本沖突等問題，數據存儲安全有效，但該方案具有客戶端免維護、無限分發的特點，在某些應用中更有優勢。 6 工業以太網技術的發展前景 以太網在工業領域的應用結構有兩種，即控制中心網絡結構和設備中心網絡結構。在控制中心網絡結構中，工業以太網與現場總線相結合，以太網應用在企業網的上層，將控制器、操作員站、管理計算機連接起來。企業網的最低層是現場總線機構，是控制網絡與Ethernet融為一體的解決方案。在設備中心網絡結構中，I／O設備連接到以太網上，在這種結構中，以太網取代了現場總線，工業以太網技術直接應用于工業現場設備之間的通信，真正建立了從企業網的上層到下層統一的工業以太網。業界人士越來越認識到以太網在工業控制領域的重要性，工業以太網技術已經成為控制系統網絡發展的主要方向，具有很大的發展潛力。當然，工業以太網還有一些局限性，例如總線供電、本質安全以及沒有統一的應用層協議等，隨著這些問題的逐步解決，以及以太網速度的不斷加快，通信確定性、可靠性、實時性的不斷完善，工業以太網將有更加廣闊的應用與發展前景。 值得一提的是在國家科技部“863”計劃的支持下，浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、大連理工大學、清華大學等單位聯合成立了標準起草工作小組，經過技術攻關，起草了我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準《用于工業測量與控制系統的EPA通信標準》。該標準通過增加一些必要的改進措施，改善以太網的通信實時性，在以太網、TCP／IP協議之上定義工業控制應用層服務和協議規范，將在IT領域應用較為廣泛的以太網（包括無線局域網、藍牙）以及TCP／IP協議應用于工業控制網絡，實現工業企業綜合自動化系統中由信息管理層、過程監控層直至現場設備層的無縫信息集成，解決基于以太網的確定性通信調度規范、定義基于以太網和TCP／IP協議的應用層服務和協議規范、基于XML的電子設備描述等內容，為用戶應用進程之間無障礙的數據和信息交換提供統一的平臺。該標準有以下特點： （1）兼容性，EPA控制系統兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP（TCP）／IP等協議。微網段化系統結構，EPA控制系統中，控制網絡劃分為若干個控制區域，每個控制區域即為一個微網段。每個微網段通過EPA網橋與其他網段進行分隔，該微網段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。處于不同微網段內EPA設備間的通信，需由相應EPA網橋進行轉發控制。 （2）通信的確定性，該標準在數據鏈路層與網絡層之間定義了一個確定性通信調度管理接口，用于處理EPA設備的報文發送調度。通過該通信調度管理接口，EPA設備按組態后的順序，采用分時發送方式向網絡上發送報文，以避免報文沖突，并確保通信的確定性。支持EPA報文與通用網絡報文并行傳輸，在不影響實時性的前提下，支持EPA報文與通用網絡報文并行傳輸。 （3）分層的安全策略，對基于EPA的分布式現場網絡控制系統，從企業信息管理層、過程監控層和現場設備層3個層次，采用不同的安全技術，如防火墻技術、網絡隔離、硬件加鎖等安全措施。 （4）網絡供電，該標準采用XML結構化文本語言，規定了EPA設備資源的描述方法，以實現不同EPA設備的互可操作性。《EPA標準》作為我國自主制定、并被國際上認可和接收的第一個現場總線國家標準，是國內從事工業自動化控制系統以及現場總線、網絡通信的研究、開發、應用單位聯合開發和編制的，得到了國家科技部和國家標委會的極大重視和支持，在產品開發和工程應用上有比較好的基礎，現已開發出了基于EPA的變送器、執行器、現場控制器、數據采集器、遠程分散控制站、無紙記錄儀等產品，基于EPA的分布式網絡控制系統已在化工企業得到成功應用。盡管該技術標準還有待在今后工程實踐中進一步完善和發展，還有許多后續工作要做，但是在工業自動化領域，我國已經有了第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準，為工業自動化領域的技術進步做出了積極的貢獻。 7 結束語 工業以太網技術的應用已經有了長足的發展，為解決工業應用中的實時性問題提供了多種手段，而且解決問題的方案也不是唯一的，只要遵循基本原理，針對工業控制現場的具體實際情況，其實這些問題都是可以解決的。