1 引言
1. 1 工业以太网产生的背景
需求的转变产生工业以太网。在大型控制系统中,大多采用专门为控制系统而设计的实时控制网络,称为现场总线系统( FCS) , FCS是顺应智能现场仪表而发展起来的,它的初衷是用数字通讯代替4～20 mA模拟传输技术,但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展,使FCS在控制领域内引起了一场前所未有的革命。
在过去的十几年间,在工厂自动化和过程自动化领域中FCS是现场及通信系统中的主流解决方案,不过,随着技术的不断进步和发展,传统现场总线越来越多的表现出了其本身的局限性,一方面,随着现场总线设备智能程度的不断提高,控制变得越来越分散[ 1 ] ,分布在各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续的交换控制数据,这使得现场设备之间数据的交换量飞速增长,而现场总线系统的传输速度远远落后于以太网的传输速率。另一方面,随着计算机技术的发展,企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中,于是,企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据,并通过工业通信网络实现远程服务和维护,因此,纵向一致性也成热门话题,用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信方案,这样就可以大大简化工厂控制系统的结构,节约系统实施和维护的成本,而传统的现场总线由于协议的不统一,互操作性较差,需要安装转换的网关,既提高了费用又不方便;而工业以太网由于具有统一的标准,为各种信息交换提供了便捷。基于这样的原因,以太网技术( Ethernet)开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透,以太网技术开始应用于工厂的控制级通信[ 2 ] 。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络互联协议,所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网是为面向办公自动化等实时性要求不高的领域而设计的,它采用总线拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA /CD)通讯方式,在实时性要求较高的场合下,重要数据的传输过程会产生传输延滞,这被称为以太网的“不确定性”[ 3 ] 。研究表明:商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30 ms之间,这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对于以太网的研究具有工程实用价值,从而产生了一种新型以太网———工业以太网。
2 工业以太网概述
2. 1 工业以太网的含义
工业以太网,一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容但在产品设计时,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性甚至本质安全等方面能满足工业现场的需要。
2. 2 工业以太网的特点
2. 2. 1 实时性和确定性
随着快速以太网与交换式以太网技术的发展,给解决以太网的非确定性问题带来了新的锲机,使这一应用成为可能。首先,以太网的通信速率从10M、100M增大到如今的1 000 M、10 G,在数据吞吐量相同的情况下,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小,即网络碰撞几率大大下降。其次,采用星型网络拓扑结构代替总线型结构,交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能,使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲,不再发生碰撞;同时交换机还可以对网络上传输的数据进行过滤,使各个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行,而不需经过主干网,也不占用其他网段的带宽,从而降低了所有网段和主干网的网络负荷[ 3 ] 。
再次,全双工通信又使得端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧,也不会发生冲突。因此,采用交换式集线器和全双工通信,同时网络上的冲突域不复存在(全双工通信) ,或碰撞几率大大降低(半双工) ,因此,以太网通信确定性和实时性大大提高。
2. 2. 2 稳定性和可靠性
以太网进入工艺控制领域的另一个主要问题是,它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商业领域设计的,商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中,因而需要针对较恶劣的工业现场环境(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等)来设计工业以太网。
随着网络技术的发展,上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业领域应用,在极端条件下网络也能稳定工作的问题,美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了机架导轨式集线器、交换机产品,安装在标准D IN导轨上,并由冗余电源供电,接插件采用牢固的DB29结构[ 5 ] 。现在已经出现了特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备(如PLC、HM I、DCS系统等) 。
此外,在实际应用中,主干网可采用光纤传输,现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线,对于重要的网段还可以采用冗余网络技术,以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。
2. 3 工业以太网协议
由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统,而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外,往往还需要依靠所传输的数据和指令,执行某些控制计算和操作功能,由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求,满足操作条件。对应于ISO /OSI七层通信模型,以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层,而在其之上的网络层和传输层协议,目前以TCP / IP (传输控制、网间)协议为主,而对较高层次如会话层、表示层、应用层等没有做技术规定[ 6 ] 。
为满足工业现场控制系统的应用要求,必须在Ethernet TCP / IP协议之上建立完整的、有效的通信服务模型,制定有效的实时通信服务机制,协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务,形成广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户协议,进而形成开放的标准。为此,各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分,利用以太网和TCP / IP技术,以及原有的低速现场总线应用层协议,从而构成了工业以太网协议。
2. 4 TCP / IP协议
在TCP / IP协议中,网络层的核心协议是IP,同时它还提供多种其它协议,包括ARP、RARP (逆向地址解析协议)和IGMP等。这一层的主要功能有:
处理来自传输层的分组发送请求,即组装IP数据包并发往网络接口;处理输入数据包,转发数据包或从数据包中抽取分组;处理差错与控制报文,包括处理路由、流量控制拥塞控制等[ 7 ] 。传输层的作用是提供应用程序间(端到端)的通信服务,它提供两个协议:用户数据包协议UDP ( user datagram p rotocol) , 其负责提供高效率的服务,用于传送少量的报文,几乎不提供可靠性措施,使用UDP的应用程序自己完成可靠性操作;传输控制协议TCP ( transmission control p rotocol) ,负责提供高可靠的数据传送服务,主要用于传送大量报文,并为保证可靠性做了大量工作。表1列出它们之间的主要区别。
支持以太网的协议众多,有DECnel、NovellIPX、MAP、theOSlastack、App let2Talk 和TCP / IP 等, 在这些协议中, TCP / IP受到广泛重视和支持,并且TCP /IP才是Internet的协议。以此,尽管TCP / IP支持的网络很多,支持以太网的协议也很多,但却只有把以太网和TCP / IP结合起来,才能满足工业以太网数据通信的需要,各种采用TCP / IP为中间协议的以太网也即将成为工业控制网络的主要标准。
在实现中,我们利用TCP / IP来传送显示的报文数据,UDP / IP来传送隐式的I/O数据。TCP是一个面向连接的并能够为一台设备同另一台设备提供可靠通信的协议,它只能工作在单播(点对点)模式。UDP是一个无连接的协议,它只提供了设备间发送数据包的能力,可以工作在单播和多播方式。
对于对实时性要求高的实时I/O数据,采用UDP / IP协议来传送,而对实时性要求不太高的显示信息(如组态,参数设置和诊断等)则采用TCP / IP来传送。
3 基于TCP / IP的以太网在工业控制领域的应用
3. 1 基于TCP / IP的以太网
Ethernet仅仅只有物理层和链路层规范,它通常与TCP / IP等平台无关的协议结合应用。我们所指的Ethernet实际上就是指基于TCP / IP 协议的Ethernet, 即Ethernet/ IP。Ethernet/ IP ( Ethernet Industrial Protocol)是以太网工业协议的缩写,它是罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)公司推出的一种开放的工业联网标准。
罗克韦尔自动化网络一般采用三层网络结构,即设备层、控制层和信息层的体系。在这个体系中,数据可以双向流动,层与层之间可以交换数据,对某一具体应用可以选择其中某层或某几层,而且每层之间可能存在层叠[ 8 ] 。其目的是: 采用一个开放的、扁平的、满足高性能需求的、降低整体费用的系统(包括提高网络、设备诊断能力,减少接线、安装、系统调试时间,提高纠错能力) ,网络体系见图1。
3. 2 工业以太网应用案例
3. 2. 1 案例背景
酒钢烧结厂控制系统采用美国罗克韦尔自动化公司的产品,主机采用PLC25 /40可编程序控制器,投入使用时间早(1994年投产) ,但随着生产工艺要求的进一步提高,对信息的处理速度要求越来越高,由于信号数量的急剧增加,现有的DH +网络已无法满足信号传输的要求,控制系统多次发生误动作和故障,严重制约了生产稳定运行。为了提高信息的传输速度,决定采用工业以太网取代现有的DH +网。
3. 2. 1 硬件系统配置
处理器型号: 17852L40E /F;
远程适配器(扩展单元) : 1771 - ASB;
电源模板: 17712P7;
数字输入模块: 1771 - IMD;
数字输出模块: 1772 - OBN;
数字输出模块: 1772 - OMD;
模拟输入模块: 1771 - IFE;
模拟输出模块: 1771 - OFE2;
热电偶模块: 17712IXE /B;
热电阻模块: 1771 - IR /B;
框架: 17712A4B /17712A1B;
网卡;
电缆;
工控计算机:研华P4;
工控显示器: PH ILPS21。
3. 2. 2 网络配置图(见图2)
3. 2. 3 软件系统环境和所用软件
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