4 工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)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(wǎng)技術以來有了長足的進步。其中，交換式以太網(wǎng)技術、高速以太網(wǎng)技術、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術、全雙工通信技術、IP的服務質(zhì)量（QoS）技術的發(fā)展與相互結合和應用，大大的提高了以太網(wǎng)系統(tǒng)中信息傳輸?shù)膶崟r性、確定性。 首先，采用以太網(wǎng)交換機，將網(wǎng)絡分成若干網(wǎng)段，以太網(wǎng)交換機具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口之間的輸入輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生沖突；同時交換機還對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行包過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸僅限于本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需要經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡負荷。 其次，以太網(wǎng)的通信速率從10Mbps，100Mbps發(fā)展到現(xiàn)在的1000Mbps，10Gbps，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信介質(zhì)的占用時間大大降低，有效地降低了網(wǎng)絡碰撞的概率。 另外，在應用過程中，系統(tǒng)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(fā)送數(shù)據(jù)，從而使系統(tǒng)不再受到CSMA／CD的約束，這樣，任一節(jié)點發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復存在，不會產(chǎn)生方式?jīng)_突。還可以采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術對網(wǎng)絡系統(tǒng)進行不同的功能層、不同的部門區(qū)分的邏輯劃分，增強網(wǎng)絡系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、安全性和確定性。IP的服務質(zhì)量（QoS）技術的應用則能使我們在網(wǎng)絡系統(tǒng)中區(qū)分實時和非實時數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，實時監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化、控制網(wǎng)絡通信負荷，提高系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、確定性。 4.2通信可靠性的改進 為了適應工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求，一些廠家已經(jīng)推出了工業(yè)級的以太網(wǎng)設備，用以提高以太網(wǎng)的可靠性。在實際應用中，主干網(wǎng)絡可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接可采用屏蔽雙絞線。對于重要的網(wǎng)段和節(jié)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(jiān)控軟件，不斷監(jiān)視整個網(wǎng)絡的通信狀況以及每一個節(jié)點的軟硬件工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就能夠迅速將故障節(jié)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(wǎng)通信的可靠性和穩(wěn)定性。 4.3工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 由于商用計算機普遍采用的應用層協(xié)議不能適應工業(yè)過程控制領域現(xiàn)場設備之間的以太網(wǎng)要求，所以必須在以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)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(wǎng)服務機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時與非實時信息的傳輸，形成被廣泛接受的應用層協(xié)議，也就是所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。日前已經(jīng)制定的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)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(zhàn)略使其成為工業(yè)以太網(wǎng)應用的堅決倡導者，該公司于1999年公布了MODBUS／TCP協(xié)議。MODBUS／TCP協(xié)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(wǎng)具有很高的確定性。利用TCP／IP協(xié)議，通過網(wǎng)頁的形式可以使用戶界面更加友好，并且利用網(wǎng)絡瀏覽器就可以查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部的設備運行情況。施奈德公司已經(jīng)為MODBUS注冊了502端口，這樣就可以將實時數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)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(fā)布其工業(yè)Ethernet的規(guī)范，稱為ProfiNet。該規(guī)范主要包括三方面的內(nèi)容： ●基于組件的對象模型（COM）的分布式自動化系統(tǒng)； ●規(guī)定了ProfiNet現(xiàn)場總線和標準以太網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)中可以通過調(diào)用COM接口來調(diào)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(chuàng)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(xiàn)。同類設備具有相同的內(nèi)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(yè)Ethernet規(guī)范，稱為Ethernet／IP。Ethernet／IP是一種工業(yè)網(wǎng)絡標準，它很好地采用了當前應用廣泛的以太網(wǎng)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(wǎng)進行區(qū)別。它是將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)應用于工業(yè)現(xiàn)場層的一種有效方法，允許工業(yè)現(xiàn)場設備交換實時性強的數(shù)據(jù)。Ethernet／IP模型由IEEE802.3標準的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、以太網(wǎng)TCP／IP協(xié)議和控制與信息協(xié)議CIP三部分組成。CIP是一個端到端的面向?qū)ο蟛⑻峁┝斯I(yè)設備和高級設備之間的連接的協(xié)議，CIP有兩個主要目的，一是傳輸同I／O設備相聯(lián)系的面向控制的數(shù)據(jù)，二是傳輸同其它被控系統(tǒng)相關的信息，如組態(tài)、參數(shù)設置和診斷等。CIP協(xié)議規(guī)范主要由對象模型、通用對象庫、設備行規(guī)、電子數(shù)據(jù)表、信息管理等組成。 基金會現(xiàn)場總線FF于2000年分布工業(yè)Ethernet規(guī)范，稱為HSE。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3、TCP／IP協(xié)議族和FF H1的結合體。FF現(xiàn)場總線基金會將HSE定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與Ethernet的集成。由HSE連接設備將H1網(wǎng)段信息傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)的主干網(wǎng)上，這些信息可以通過互連網(wǎng)送到主控室，并進一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員可以在主控室直接使用網(wǎng)絡瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況，現(xiàn)場設備也可以通過網(wǎng)絡獲得控制信息。 5 工業(yè)以太網(wǎng)的應用 5.1工業(yè)以太網(wǎng)的應用示例 隨著生產(chǎn)過程自動化水平的提高及網(wǎng)絡建設的同步跟進，不少企業(yè)網(wǎng)絡已覆蓋到企業(yè)的各廠和各個車間，使現(xiàn)場設備層及生產(chǎn)監(jiān)控層的DCS、PLC系統(tǒng)各個功能有可能得到更好的利用，為充分發(fā)揮信息在企業(yè)管理中的效益提供了良好的環(huán)境。因此建立統(tǒng)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(fā)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(fā)展生產(chǎn)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(xiàn)以某冶煉企業(yè)為例，由于系統(tǒng)相當龐大和復雜，在企業(yè)平臺建設中，以下子系統(tǒng)被考慮成重點建設對象。 （1）生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng) 它可以按照各種生產(chǎn)指標并根據(jù)公司的生產(chǎn)能力制定出公司的年、季、月產(chǎn)品產(chǎn)量計劃和各種消耗定額等；按照產(chǎn)品產(chǎn)量計劃及消耗定額，編制原、燃料、水電消耗計劃；按照產(chǎn)品產(chǎn)量計劃制定各部門的工作計劃。 （2）生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng) 它是整個生產(chǎn)管理的智能管理中心，是集數(shù)據(jù)通信、處理、采集、協(xié)調(diào)、圖文顯示為一體的綜合數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)，能在各種情況下準確、可靠、迅捷地做出反應及時處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的問題，協(xié)調(diào)各車間工作，達到實時、合理監(jiān)控的目的。為各級管理者提供實時生產(chǎn)信息（過程數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)），精確地監(jiān)視生產(chǎn)過程，以提高生產(chǎn)過程控制水平和設備的監(jiān)控能力。 （3）辦公自動化系統(tǒng) 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(xiàn)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(tǒng) 它采用專用財務管理軟件，由專業(yè)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(tǒng) 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(shù)量、品種、規(guī)格以及價格和質(zhì)量等方面的矛盾，銜接好生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)，確保生產(chǎn)的順利進行。 （6）設備管理系統(tǒng) 通過設備管理系統(tǒng)，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(jiān)控系統(tǒng) 通過遍布各個關鍵崗位的攝相頭，可以實時地監(jiān)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(chǎn)工藝過程基本數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、顯示與化驗數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計等功能，對生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)指揮、生產(chǎn)協(xié)調(diào)起到了積極的作用，最終，使反映生產(chǎn)工藝過程的基礎數(shù)據(jù)得到及時反映，為生產(chǎn)過程中出現(xiàn)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(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，給管理人員注入了新的生產(chǎn)管理理念，同時也為企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟效益。 5.2系統(tǒng)設計原則 生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，是集“管、調(diào)、控、監(jiān)”于一體的自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)設計中，應遵循“安全可靠、經(jīng)濟實用、整體技術先進”的原則。安全可靠，由于產(chǎn)品生產(chǎn)是工藝流程化的生產(chǎn)過程，為確保生產(chǎn)的連續(xù)、穩(wěn)定運行，軟件設計上，應邏輯嚴密，連鎖完備，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。經(jīng)濟實用，就是系統(tǒng)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(jù)項目的需求，結合工程項目經(jīng)驗，力求建立一個完善的體系結構，使計算機系統(tǒng)能夠在最大限度上滿足用戶不斷增長的業(yè)務需求和變化，可不斷利用迅速發(fā)展中的計算機技術和產(chǎn)品，重用性好，擴展方便。系統(tǒng)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(yè)創(chuàng)造良好的社會經(jīng)濟效益。 5.3系統(tǒng)總體設計 生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)平臺建設，涉及整個企業(yè)的各個生產(chǎn)車間及各個管理部門，為保證系統(tǒng)的可擴展性，在原生產(chǎn)線上軟、硬件充分發(fā)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(tǒng)硬件結構 根據(jù)某企業(yè)的實際情況，系統(tǒng)配置的硬件結構圖如圖1所示。MIS服務器：選用Dell產(chǎn)品，采用冗余技術和恢復技術，保證數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)庫：采用Wonderware的InSQL8.0實時關系型工廠用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 操作系統(tǒng)：采用WINDOWS 2000／2003／NT。 關系數(shù)據(jù)庫：MS SQL Server 2000 工作站：選用Dell產(chǎn)品：CUP P4 3.0G RAM DDR512MB內(nèi)存 通信協(xié)議：TCP／IP、PROFIBUS－DP、MODBUS、OPC、DH＋等，以TCP／IP為主，其他為工業(yè)過程控制專用協(xié)議。 （2）系統(tǒng)軟件結構 根據(jù)用戶要求采用C／S與B／S混合結構。系統(tǒng)的C／S結構：支持數(shù)據(jù)管理，支持多用戶高效并發(fā)訪問，可有效地解決企業(yè)地理數(shù)據(jù)庫中的版本沖突等問題，數(shù)據(jù)存儲更加安全有效，能滿足數(shù)據(jù)編輯、高級空間分析等功能。系統(tǒng)的B／S結構：同樣也支持數(shù)據(jù)管理，支持多用戶高效并發(fā)訪問，也可有效地解決企業(yè)地理數(shù)據(jù)庫中的版本沖突等問題，數(shù)據(jù)存儲安全有效，但該方案具有客戶端免維護、無限分發(fā)的特點，在某些應用中更有優(yōu)勢。 6 工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展前景 以太網(wǎng)在工業(yè)領域的應用結構有兩種，即控制中心網(wǎng)絡結構和設備中心網(wǎng)絡結構。在控制中心網(wǎng)絡結構中，工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結合，以太網(wǎng)應用在企業(yè)網(wǎng)的上層，將控制器、操作員站、管理計算機連接起來。企業(yè)網(wǎng)的最低層是現(xiàn)場總線機構，是控制網(wǎng)絡與Ethernet融為一體的解決方案。在設備中心網(wǎng)絡結構中，I／O設備連接到以太網(wǎng)上，在這種結構中，以太網(wǎng)取代了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)技術直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備之間的通信，真正建立了從企業(yè)網(wǎng)的上層到下層統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)。業(yè)界人士越來越認識到以太網(wǎng)在工業(yè)控制領域的重要性，工業(yè)以太網(wǎng)技術已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α．斎唬I(yè)以太網(wǎng)還有一些局限性，例如總線供電、本質(zhì)安全以及沒有統(tǒng)一的應用層協(xié)議等，隨著這些問題的逐步解決，以及以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)將有更加廣闊的應用與發(fā)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(lián)合成立了標準起草工作小組，經(jīng)過技術攻關，起草了我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)場總線國家標準《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)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(wǎng)的通信實時性，在以太網(wǎng)、TCP／IP協(xié)議之上定義工業(yè)控制應用層服務和協(xié)議規(guī)范，將在IT領域應用較為廣泛的以太網(wǎng)（包括無線局域網(wǎng)、藍牙）以及TCP／IP協(xié)議應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中由信息管理層、過程監(jiān)控層直至現(xiàn)場設備層的無縫信息集成，解決基于以太網(wǎng)的確定性通信調(diào)度規(guī)范、定義基于以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議的應用層服務和協(xié)議規(guī)范、基于XML的電子設備描述等內(nèi)容，為用戶應用進程之間無障礙的數(shù)據(jù)和信息交換提供統(tǒng)一的平臺。該標準有以下特點： （1）兼容性，EPA控制系統(tǒng)兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP（TCP）／IP等協(xié)議。微網(wǎng)段化系統(tǒng)結構，EPA控制系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域即為一個微網(wǎng)段。每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進行分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內(nèi)EPA設備間的通信，需由相應EPA網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)控制。 （2）通信的確定性，該標準在數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡層之間定義了一個確定性通信調(diào)度管理接口，用于處理EPA設備的報文發(fā)送調(diào)度。通過該通信調(diào)度管理接口，EPA設備按組態(tài)后的順序，采用分時發(fā)送方式向網(wǎng)絡上發(fā)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(wǎng)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(wǎng)絡報文并行傳輸。 （3）分層的安全策略，對基于EPA的分布式現(xiàn)場網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，從企業(yè)信息管理層、過程監(jiān)控層和現(xiàn)場設備層3個層次，采用不同的安全技術，如防火墻技術、網(wǎng)絡隔離、硬件加鎖等安全措施。 （4）網(wǎng)絡供電，該標準采用XML結構化文本語言，規(guī)定了EPA設備資源的描述方法，以實現(xiàn)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(xiàn)場總線國家標準，是國內(nèi)從事工業(yè)自動化控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡通信的研究、開發(fā)、應用單位聯(lián)合開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)和工程應用上有比較好的基礎，現(xiàn)已開發(fā)出了基于EPA的變送器、執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器、數(shù)據(jù)采集器、遠程分散控制站、無紙記錄儀等產(chǎn)品，基于EPA的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)已在化工企業(yè)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(fā)展，還有許多后續(xù)工作要做，但是在工業(yè)自動化領域，我國已經(jīng)有了第一個擁有自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)場總線國家標準，為工業(yè)自動化領域的技術進步做出了積極的貢獻。 7 結束語 工業(yè)以太網(wǎng)技術的應用已經(jīng)有了長足的發(fā)展，為解決工業(yè)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(yè)控制現(xiàn)場的具體實際情況，其實這些問題都是可以解決的。