摘 要:本文介紹了現場總線發展中存在的一些問題，分析了以太網應用于現場總線中面臨的問題，綜合現階段國內外的研究，提出了工業以太網在應用中一些實際的解決方法，同時分析工業以太網的發展前景。 關鍵詞:工業以太網 控制系統 現場總線 通信網絡 1 引言 在工業生產中，隨著生產規模的擴大和復雜程度的提高，實際應用對控制系統的要求越來越高。在20世紀50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監控系統取代傳統的機電控制系統。隨后是在70～80年代，集散控制系統DCS（DistributedControlSystem）的出現，把大量分散的單回路測控系統通過計算機進行集中統一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計算機實現回路調節、工況聯鎖、參數顯示、數據存儲等多種功能，從而實現了工業控制技術的飛躍。 DCS一般由操作站級、過程控制級和現場儀表三級組成，其特點是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監督管理。分散控制使得系統由于某個局部的不可靠而造成對整個系統的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術不斷走向成熟，極大地提高了整個系統的可靠性，因而迅速成為工業自動控制系統的主流。但DCS的結構是多級主從關系，底層相互間進行信息傳遞必須經過主機，從而造成主機負荷過重，效率低下，并且主機一旦發生故障，整個系統就會“癱瘓”。而且DCS是一種數字—模擬混合系統，現場儀表仍然使用傳統的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標準，通訊協議封閉，極大的制約了系統的集成與應用。 進入90年代，具有數字化的通信方式、全分散的系統結構、開放的互聯網絡、多種傳輸媒介和拓撲結構、高度的環境適應性等特點的現場總線（Fieldbus）技術迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉入現場智能儀表，而在此基礎上形成的新的現場總線控制系統FCS（FieldbusControlSystem）綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統。相應的控制網絡結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為設備層、控制層和信息層。采用了現場總線技術使控制功能下放到現場設備成為可能，現場總線標準不僅是通信標準，同時也是系統標準。FCS正在走向取代DCS并推動著工業控制技術的又一次飛躍。 2 現場總線應用中的問題 2.1標準問題 現場總線控制系統在實際應用中還存在一些問題有待解決，其中最突出的問題就是缺少統一的標準。2000年初IEC公布的IEC61158國際標準，產生了H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等８種IEC現場總線國際標準子集。IEC現場總線國際標準制定的結局表明，在相當長的一段時期內，將出現多種現場總線并存的局面，并導致控制網段的系統集成與信息集成面臨困難。 無論是最終用戶還是工程集成商也包括制造商，都在尋求高性能、低成本的解決方案。8種類型的現場總線采用不同的通信協議，要實現這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現場總線都有自己最合適的應用領域，如何在實際中根據應用對象，將不同層次的現場總線組合使用，使系統的各部分都選擇最合適的現場總線，對用戶來說，仍然是比較棘手的問題。 2.2系統的集成問題 在實際應用中，一個大的系統很可能采用多種的現場總線，特別是中國那些高速成長的終端用戶，在企業的不同發展階段和國際范圍的跨國制造裝備采購幾乎不可能統一技術前沿的現場總線。如何把企業的工業控制網絡與管理層的數據網絡進行無縫地集成，從而使整個企業實現管控一體化，顯得十分關鍵。現場總線系統在設計網絡布局時，不僅要考慮各現場節點的距離，還要考慮現場節點之間的功能關系、信息在網絡上的流動情況等。由于智能化現場儀表的功能很強，因此許多儀表會有同樣的功能塊，組態時要仔細考慮功能塊的選擇，使網絡上的信息流動最小化。同時通信參數的組態也很重要，要在系統的實時性與網絡效率之間做好平衡。 2.3存在技術瓶頸 現場總線在應用中還存在一些技術瓶頸問題，主要表現在以下幾個方面。 （1）當總線電纜斷開時，整個系統有可能癱瘓。用戶希望這時系統的效能可以降低，但不能崩潰，這一點目前許多現場總線不能保證。 （2）本安防爆理論的制約。現有的防爆規定限制總線的長度和總線上負載的數量。這就是限制了現場總線節省電纜優點的發揮。 （3）系統組態參數過分復雜。現場總線的組態參數很多，不容易掌握，但組態參數設定得好壞，對系統性能影響很大。 因此，采用一種統一的現場總線標準對于現場總線技術的發展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統的發展與應用，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問題，業內人士把目光轉移到了在商用局域網中大獲成功的具有結構簡單、成本低廉、易于安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬件資源豐富、兼容性好、靈活性高、易于與Internet集成、支持幾乎所有流行的網絡協議的以太網技術。 3 以太網與TCP/IP 以太網（Ethernet）最早來源于Xerox公司于1973年建造的網絡系統，是一種總線式局域網，以基帶同軸電纜作為傳輸介質，采用CSMA/CD協議。Xerox公司建造的以太網非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯合起草了以太網標準。1985年，IEEE802委員會吸收以太網為IEEE802.3標準，并對其進行了修改。以太網標準和IEEE802.3標準的主要區別是以太網標準只描述了使用50歐同軸電纜、數據傳輸率為10Mbps的總線局域網，而且以太網標準包括ISO數據鏈路層和物理層的全部內容;而IEEE802.3標準描述了運行在各種介質上的、數據傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協議的局域網，而且IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的數據鏈路層的一個子層（即介質訪問控制MAC子層）和物理層，而數據鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。 該規范規定采用載波偵聽多路訪問/沖突（碰撞）檢測CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect），信號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。 按照ISO的OSI七層結構，以太網標準只定義了數據鏈路層和物理層，作為一個完整的通信系統。以太網在成為數據鏈路和物理層的協議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來國際互連網采用了以太網和TCP/IP協議，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協議組放在一起，稱為以太網技術;TCP/IP的簡單實用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動化領域內，而且在各個企業的管理網絡、監控層網絡也都廣泛使用以太網技術，并開始向現場設備層網絡延伸。如今，TCP/IP協議成為最流行的網際互聯協議，并由單純的TCP/IP協議發展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協議簇。 在TCP協議中，網絡層的核心協議是IP（InternetProtocol），同時還提供ARP（AddressResolutionProtocol）、RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）、ICMP（InternetControlMessagesProtocol）等協議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組發送請求（即組裝IP數據報并發往網絡接口）、處理輸入數據報、轉發數據報或從數據報中抽取分組、處理差錯與控制報文（包括處理路由、流量控制、擁塞控制等）。 傳輸層的功能是提供應用程序間（端到端）的通信服務，它提供用戶數據報協議UDP（UserDatagramProtocol）和傳輸控制協議TCP（TransferControlProtocol）兩個協議。UDP負責提供高效率的服務，用于傳送少量的報文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應用程序需自己完成可靠性操作;TCP負責提供高可靠的數據傳送服務，主要用于傳送大量報文，并保證數據傳輸的可靠性。 以太網支持的傳輸介質為粗同軸電纜、細同軸電纜、雙絞線、光纖等，其最大優點是簡單，經濟實用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶歡迎。與現場總線相比，以太網具有以下幾個方面的優點: （1）兼容性好，有廣泛的技術支持 基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式網絡，適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題，不同廠商的設備很容易互聯，能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的信息無縫集成。以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發，如VB、Java、VC等。采用以太網作為現場總線，可以保證多種開發工具、開發環境供選擇。工業控制網絡采用以太網，就可以避免其發展游離于計算機網絡技術的發展主流之外，從而使工業控制網絡與信息網絡技術互相促進，共同發展，并保證技術上的可持續發展。 （2）易于與Internet連接 以太網支持幾乎所有流行的網絡協議，能夠在任何地方通過Internet對企業進行監控，能便捷地訪問遠程系統，共享/訪問多數據庫。 （3）成本低廉 采用以太網能降低成本，包括技術人員的培訓費用、維護費用及初期投資。由于以太網的應用最為廣泛，因此受到硬件開發與生產廠商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產品供用戶選擇，硬件價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有現場總線的十幾分之一，并且隨著集成電路技術的發展，其價格還會進一步下降。人們對以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發和培訓費用，在技術升級方面無需單獨的研究投入，從而可以顯著降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發和推廣速度。 （4）可持續發展潛力大 由于以太網的廣泛應用，使它的發展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。并且，在信息瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，保證了以太網技術的持續發展。 （5）通信速率高 目前以太網的通信速率為10M或100M，1000M、10G的快速以太網也開始應用，以太網技術也逐漸成熟，其速率比目前的現場總線快得多，以太網可以滿足對帶寬的更高要求。 4 以太網應用于控制時存在的問題 但是傳統的以太網是一種商用網絡，要應用到工業控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。 （1）存在實時性差，不確定性的問題 傳統的以太網采用了CSMA/CD的介質訪問控制機制，各個節點采用BEB（BinaryExponentialBack-off）算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網絡節點要通過競爭來取得信息包的發送權。通信時節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發送后，還需要檢查是否發生碰撞，信息如發生碰撞，需退出重發，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性，不能滿足工業過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業控制中的應用。 （2）工業可靠性問題 以太網是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮工業現場環境的適應性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機或其他大功率設備產生的影響信道傳輸特性的強電磁噪聲等。以太網如在車間底層應用，必須要解決可靠性的問題。 （3）以太網不提供電源，必須有額外的供電電纜 工業現場控制網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。 （4）以太網不是本質安全系統 （5）安全性問題 以太網由于使用了TCP/IP協議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。沒有授權的用戶可能進入網絡的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、數據加密、防火墻等多種安全機制加強網絡的安全管理，但針對工業自動化控制網絡安全問題的解決方案還需要認真研究。 （6）現存的控制網絡與新建以太控制網絡的集成問題 上述這些問題中，實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網進入工業控制領域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業以太網的解決辦法。 5 工業以太網 一般來講，工業以太網是專門為工業應用環境設計的標準以太網。工業以太網在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，工業以太網和標準以太網的異同可以比之與工業控制計算機和商用計算機的異同。以太網要滿足工業現場的需要，需達到以下幾個方面的要求。 （1）適應性 包括機械特性（耐振動、耐沖擊）、環境特性（工作溫度要求為-40～+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2、EN50082-2標準。 （2）可靠性 由于工業控制現場環境惡劣，對工業以太網產品的可靠性也提出了更高的要求。 （3）本質安全與安全防爆技術 對應用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業現場的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業現場的安全生產。現場設備的防爆技術包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型兩類。與隔爆型技術相比，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經濟上的優點:結構簡單、體積小、重量輕、造價低;可在帶電情況下進行維護和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實現本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由于目前以太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5Ｖ工作電源），因此低功耗的現場設備（如工業現場以太網交換機、傳輸媒體以及基于以太網的變送器和執行機構等）設計難以實現。因此，在目前的技術條件下，對以太網系統采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。 （4）安裝方便，適應工業環境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。 6 提高以太網實用性的方法 隨著相關技術的發展，以太網的發展也取得了本質的飛躍，再借助于相關技術，可以從總體上提高以太網應用于工業控制中的實用性。 6.1采用交換技術 傳統以太網采用共享式集線器，其結構和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器，連接到共享式集線器上的所有站點共享一個帶寬，遵循CSMA/CD協議進行發送和接收數據。而交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設備的目標端之間提供了一個直接快速的點到點連接。不同端口可以形成多個數據通道，端口之間的數據輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現代交換機技術的發展，交換機端口內部之間的傳輸速率比整個設備層以太網端口間的傳輸速率之和還要大，因而減少以太網的沖突率，并為沖突數據提供緩存。 當然交換機的工作方式必須是存儲轉發方式，這樣在系統中只有點對點的連接，不會出現碰撞。多個交換把整個以太網分解成許多獨立的區域，以太網的數據沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網的網絡性能和確定性。 交換式以太網沒有更改原有的以太網協議，可直接使用普通的以太網卡，大大降低了組網的成本，并從根本上解決了以太網通信傳輸延遲存在不確定性的問題。研究表明，通信負荷在10％以下時，以太網因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計。在工業控制網絡中，傳輸的信息多為周期性測量和控制數據，報文小，信息量少，傳輸的信息長度較小。這些信息包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點與量程調校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個字節，對網絡傳輸的吞吐量要求不高。研究表明，在擁有6000個I/O的典型工業控制系統中，通信負荷為10M以太網的5%左右，即使有操作員信息傳輸（如設定值的改變，用戶應用程序的下載等），10M以太網的負荷也完全可以保持在10%以下。 6.2采用高速以太網 隨著網絡技術的迅速發展，先后產生了高速以太網（100M）和千兆以太網產品和國際標準，10G以太網產品也已經面世。通過提高通信速度，結合交換技術，可以大大提高通信網絡的整體性能。 6.3采用全雙工通信模式 交換式以太網中一個端口是一個沖突域，在半雙工情況下仍不能同時發送和接收數據。如果采用全雙工模式，同一條數據鏈路中兩個站點可以在發送數據的同時接收數據，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通信技術可以使設備端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上同時接收和發送報文幀，從而也不再受到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。對于緊急事務信息，則可以根據IEEE802.3p&q，應用報文優先級技術，使優先級高的報文先進入排隊系統先接受服務。通過這種優先級排序，使工業現場中的緊急事務信息能夠及時成功地傳送到中央控制系統，以便得到及時處理。 6.4采用虛擬局域網技術 虛擬局域網（VLAN）的出現打破了傳統網絡的許多固有觀念，使網絡結構更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網絡用戶劃分為一個邏輯網段。局域網交換機的每一個端口只能標記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產生。工業過程控制中控制層單元在數據傳輸實時性和安全性方面都要與普通單元區分開來，使用虛擬局域網在工業以太網的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區分開，從而達到提高網絡的整體安全性和簡化網絡管理的目的。通常虛擬局域網的劃分方式有靜態端口分配、動態虛擬網和多虛擬網端口配置三種。靜態端口分配指的是網絡管理人員利用網管軟件或設備交換機的端口，使其直接從屬某個虛擬網，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網管人員重新設置;動態虛擬網指的是支持動態虛擬網的端口可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬;多虛擬網端口配置支持一個用戶或一個端口同時訪問多個虛擬網，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門可以同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網的資源。 6.5引入質量服務（QoS） IPQoS是指IP的服務質量（qualityofservice），亦即IP數據流通過網絡時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。QoS有一套度量指標，包括業務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網絡可以區分實時-非實時數據，在工業以太網中采用QoS技術，可以識別來自控制層的擁有較高優先級的數據，并對它們優先處理，在響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優先級等方面，使工業以太網滿足工業自動化實時控制要求。另外，QoS網絡還可以制止對網絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現場控制單元和監控單元的終端等。 此外，還出現了受大公司支持的工業以太網應用標準及相關協議的改進。將工業以太網引入底層網絡，不僅使現場層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本，以太網向底層網絡的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支持工業以太網并制訂了不同的工業應用標準。如Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業協議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協議的應用層移植到TCP。FF制定的高速以太網協議HSE提供了發布方/定購方、對象等模型，主要用于工程控制領域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司發布的Modbus/TCP協議將Modbus協議捆綁在TCP協議上，易于實施，能夠實現互聯。 為了提高實時性，以太網協議也作了一些改進。一種完全基于軟件的協議RETHER（RealTimeEthernet）可以在不改變以太網現有硬件的情況下確保實時性，它采用一種混合操作模式，能減少對網絡中非實時數據傳輸性能的影響;非競爭的容許控制機制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節點故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協議的網絡以CSMA和RETHER兩種模式運行。在實時對話期間，網絡將透明地轉換到RETHER模式，實時對話結束后又重新回到CSMA模式。還有一種以太網協議叫RTCC（RealTimeCommunicationControl），為分布式實時應用提供了良好的基礎。RTCC是加在Ethernet之上的一層協議，能提供高速、可靠、實時的通信。它不需要改變現有的硬件設備，采用命令/響應多路傳輸和總線表兩種新穎的機制來分配信道。所有節點在RTCC協議中被分為總線控制器（BC）和遠程終端（RT）兩類，BC只有一個，其余都是RT。信息發送的發起和管理都由BC承擔，訪問仲裁過程和傳輸控制過程都是由BC來實現的，通過兩個過程的集成與同步，不僅節點的發送時間是確定的，而且節點使用總線的時間也可控。在10Mbps以太網上的實驗表明，RTCC有令人滿意的確定性。第三種改進實時性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與EthernetMAC之間加一個流量平衡器。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個網絡節點上。在本地節點，它給予實時數據包以優先權來消除實時信息與非實時信息的競爭，同時平衡非實時信息，以減少與其他節點實時信息之間的沖突。為了保證非實時信息的吞吐量，流量平衡器還能根據網絡的負載情況調整數據流產生率。這種方法不需要對現有的標準EthernetMAC協議和TCP或UDP/IP作任何改動。 因此，針對以太網排隊延遲的不確定性，通過采用適當的流量控制、交換技術、全雙工通信技術、信息優先級等來提高實時性，并改進了容錯技術、系統設計技術以及冗余結構，以太網完全能用于工業控制網絡。事實上，20世紀90年代中后期，國內外各大工控公司紛紛在其控制系統中采用以太網，推出了基于以太網的DCS、PLC、數據采集器，以及基于以太網的現場儀表、顯示儀表等產品。 隨著網絡和信息技術的日趨成熟，在工業通信和自動化系統中采用以太網和TCP/IP協議作為最主要的通信接口和手段，向網絡化、標準化、開放性方向發展將是各種控制系統技術發展的主要潮流。以太網作為目前應用最廣泛、成長最快的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域得到了超乎尋常的發展。同時，基于IP的全程一體化尋址，為工業生產提供的標準、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對控制系統產生深遠的影響。