現場(chǎng)總線(xiàn)標準化進(jìn)程
8種現場(chǎng)總線(xiàn)經(jīng)過(guò)14年的紛爭，最后IEC的現場(chǎng)總線(xiàn)標準化組織經(jīng)投票，通過(guò)以下這8種現場(chǎng)總線(xiàn)成為IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)標準，即：FF H1，Control Net，Profibus,INTERBUS，P-Net，World FIP，Swift Net，FF之高速Ethernet即HSE。其中，P-Net和Swift Net是專(zhuān)用總線(xiàn)；Control Net，PROFIBUS,Wold FIP和INTERBUS是PLC發(fā)展而來(lái)的；而FF和HSE是從傳統DCS發(fā)展而來(lái)的。這8種現場(chǎng)總線(xiàn)采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實(shí)現這些總線(xiàn)的兼容和互操作是十分困難的。
由于各生產(chǎn)廠(chǎng)商要盡可能地控制市場(chǎng)份額，保護各自過(guò)去的投資利益，經(jīng)過(guò)14年的長(cháng)期急診而意見(jiàn)難以統一，于是各自退回原地，開(kāi)展了一場(chǎng)保衛各自“領(lǐng)地”的戰斗。目前，這8種現場(chǎng)總線(xiàn)都在各自修改其應用層協(xié)議，支持IEC61784規范，爭取通過(guò)高層協(xié)議以達到相互兼容之目的。如2002年完成工作，將使IEC61158成為一個(gè)基本統一的、由多部分組成的標準。
眾所周知，最早的氣動(dòng)單元組合儀表采用0.2~1.0N/cm2統一標準化氣動(dòng)信號，電動(dòng)單組合儀表采用4~20mA標準化信號互聯(lián)，任何廠(chǎng)家的產(chǎn)品均可以實(shí)現互聯(lián)，這兩代儀表系統都得到健康發(fā)展。面現場(chǎng)總線(xiàn)由于來(lái)自不同產(chǎn)品和生產(chǎn)廠(chǎng)家，經(jīng)14年爭論也無(wú)法達成統一，多標準等于無(wú)標準。市場(chǎng)迫切需要統一標準的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。只有通過(guò)制定新標準才能實(shí)現，為了加快新一代系統的，人們開(kāi)始尋求新的出路。
幾種可能的出路是：
出路一 各種現場(chǎng)總線(xiàn)統一到1~2種。IEC61158的產(chǎn)生本身就說(shuō)明這種可能性很小。
出路二 開(kāi)發(fā)所有現場(chǎng)總線(xiàn)通用的接口，成本較高且難度較大。
出路三 各國不理睬IEC61158，采用自主知識產(chǎn)權的協(xié)議。主不符合經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢。
出路四 采用已經(jīng)是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其在工業(yè)體育場(chǎng)成熟應用，易于被廣大國家用戶(hù)、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。
Ethernet在工業(yè)自動(dòng)化中應用的若干問(wèn)題
Ethernet進(jìn)軍工業(yè)自動(dòng)化的主要動(dòng)力是：①成本低；②速度的提高，因普通遍應用所形成的硬件資源、軟件資源和廣泛支持。Ethernet是世界上應用最多的網(wǎng)絡(luò )，超過(guò)93%的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)為Ethernet。
Ethernet用于工業(yè)自動(dòng)化有以下4個(gè)問(wèn)題需要解決。
1． 實(shí)時(shí)性問(wèn)題
實(shí)時(shí)性就是信號傳輸足夠快加上確定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡(luò )負荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò )傳輸的不確定性不能滿(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求。Ethernet發(fā)展的現實(shí)是：
交換式100M Ethernet已廣泛應用，能提供足夠的帶寬和減少沖突。
全雙工網(wǎng)絡(luò )和具優(yōu)先權的傳送機制得保證確定性。
典型的工業(yè)應用，峰值負載為10M Ethernet的5%，在100M Ethernet網(wǎng)絡(luò )負載為0.5%，而Ethernet只有當負載達40%以上時(shí)才會(huì )有明顯的延遲現象。
在100M Ethernet網(wǎng)中，發(fā)送一個(gè)包延時(shí)超過(guò)2ms的狀況，5年也不會(huì )發(fā)生一次。美國電力研究院的實(shí)驗結果可保證4ms以?xún)取?
2． Ethernet如何滿(mǎn)足現場(chǎng)環(huán)境問(wèn)題
Ethernet所用的接插件、集線(xiàn)器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。在工廠(chǎng)環(huán)境中，Ethernet抗干擾性能較差。若用于危險場(chǎng)合，它不具備本安特性，也不具備通過(guò)信號線(xiàn)向現場(chǎng)儀表供電的性能。
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò )也能穩定地工作的問(wèn)題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschman公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了導軌式收發(fā)器、集線(xiàn)器和交換機系列產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。
美國NET silicon公司研制的工業(yè)Ethernet通信接口芯片，每片價(jià)格已降至10~15美元，與各種現場(chǎng)總線(xiàn)芯片相比，具有很大的價(jià)格優(yōu)勢。
現在的工業(yè)Ethernet現場(chǎng)總線(xiàn)采用一種稱(chēng)為連接裝置（linking device）類(lèi)似帶開(kāi)關(guān)的集線(xiàn)器結構，很好地解決了Ethernet的時(shí)間確定性問(wèn)題。目前，ProfibusDevicenet,ControlNet和LonWorks等都打算使用Ethernet。這些公司都在研究通過(guò)隧道（Turnel）的簡(jiǎn)單傳輸機構，使用Ethernet傳送報文。
3． 在工業(yè)控制中使用Ethernet如何獲得技術(shù)支持。
由于采用與商用Ethernet相同的技術(shù)，因此具有最廣大的支持網(wǎng)絡(luò )和資源。
為了促進(jìn)Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域的應用國際上成立了工業(yè)Ethernet協(xié)會(huì )（www.lndustrial.Ethernet.com）和IAONA（www.iaona.com），并與美國ARC Advisory Group AMR Resesch研究中心和Gartnet Gronp、AMR Reseach研究中心和Gartner Group等機構合作，開(kāi)展工業(yè)Ethernet關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國電氣工程師協(xié)會(huì )（IEEE）正著(zhù)手制定現場(chǎng)裝置與Ethernet通信的新標準該標準。該標準讓網(wǎng)絡(luò )直接看到對象（object）。這些工作為Ethernet進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化的現場(chǎng)級打下了基礎。
為適應市場(chǎng)趨勢全球主要自動(dòng)化廠(chǎng)商和組織加強了工業(yè)Ethernet實(shí)現。
法國施奈德公司：4年前推出透明工廠(chǎng)戰略，使其成為工業(yè)Ethernet應用的堅決倡導者。ModbusTCP/IP（1998）是目前工業(yè)Ethernet事實(shí)了標準，并促進(jìn)Ethernet在傳感器和設備級的應用。
德國門(mén)子公司：1998年發(fā)布工業(yè)Ethernet白皮書(shū)，并于2001年發(fā)布其工業(yè)Ethernet的規范，稱(chēng)為PROFINET。
美國洛威爾自動(dòng)化公司：2000年發(fā)布工業(yè)Ethernet規范，稱(chēng)為Ethernet/IP。
基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF：2000年發(fā)布工業(yè)Ethernet規范，稱(chēng)為HSE。
4． Ethernet與網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題
在工廠(chǎng)運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不意味著(zhù)工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )一定要連接到互聯(lián)網(wǎng)。采用網(wǎng)絡(luò )的工廠(chǎng)，連入互聯(lián)網(wǎng)均使用TCP/IP。這樣就面臨互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)似的安全問(wèn)題。
安全隱患：病毒、工業(yè)間諜、黑客、軟件BUG、恐怖主義。
黑客的動(dòng)機：金錢(qián)、信息、恐怖主義、破壞、政治等，工業(yè)現場(chǎng)相對較少吸引力。同時(shí)，黑客行為是高技術(shù)的，有費時(shí)費力費錢(qián)的代價(jià)。
物理連接管理提高安全性：PLC操作系統是專(zhuān)有的，不易受到黑客、病毒的侵略。
RAS、VPN提供遠程訪(fǎng)問(wèn)：硬件身份識別。
可提供多種安全機制：用戶(hù)密碼、數據加密、防火墻等。
隨著(zhù)生物信息技術(shù)的發(fā)展，指紋、聲音等生物信息將提高網(wǎng)絡(luò )的安全性。
基于TCP/IP的Ethernet在工業(yè)自動(dòng)化中的應用
Ethernet僅僅只有物理層和鏈路層規范，它通常與TCP/IP等平臺無(wú)關(guān)的協(xié)議結合應用。我們所指的Ethernet實(shí)際上是指基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet，即Ethernet/IP。過(guò)去，以生產(chǎn)PLC為主的公司都使用Ethernet完成信息級通信，其中，西門(mén)了公司的SIMATICNET將Ethernet應用到車(chē)間級，并有向下層通信的趨勢。隨著(zhù)FF HSE的開(kāi)發(fā)成功，Ethernet將廣泛應用于工業(yè)控制系統的監控網(wǎng)絡(luò )。特別令人感興趣的是，國際上有些公司已推出了完全以工業(yè)Ethernet為基礎的控制系統，其工廠(chǎng)級、監控級和現場(chǎng)級均采用基于TCP/P通信協(xié)議的工業(yè)Ethernet，配備Wed server功能，而且這種趨勢愈來(lái)愈明顯。人們預測，像當年工業(yè)PC進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域一樣，Ethernet/IP將會(huì )十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制的各級網(wǎng)絡(luò )。
基于TCP/IP的Ethernet構成的工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的最大優(yōu)點(diǎn)是將工廠(chǎng)的商務(wù)網(wǎng)、車(chē)間的制造網(wǎng)絡(luò )和現場(chǎng)級的儀表、設備網(wǎng)絡(luò )構成了暢通的透明網(wǎng)絡(luò )，并與WEB功能相結合，與工廠(chǎng)的電子商務(wù)、物資供應鏈和ERP等形成整體，這就是施奈德的透明工廠(chǎng)概念。
所謂透明工廠(chǎng)，即基于開(kāi)放的Internet和Ethernet，實(shí)現：
開(kāi)放的商業(yè)化技術(shù)的應用OPC servers,Ethernet,Internet,IEC1131;
基于IT/Internet技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 嵌入式網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器和瀏覽器提供對PLC數據的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和可視化；
采用開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )策略 TCP/IP，物理層Ethernet；
創(chuàng )建現有的PLC作為“內容提供商”嵌入式服務(wù)器插件和OPC server。
Ethernet及其應用層協(xié)議――Ethernet/IP
按照互聯(lián)網(wǎng)參考的7層協(xié)議，Ethernet只提供了物理層和鏈路層協(xié)議，且通常與TCP/IP等協(xié)議結合應用。由于應用層協(xié)議不同，因此難以保證其互操作性。
傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）是Internet的網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層協(xié)議。在商業(yè)領(lǐng)域，它的互操作性由Internet的應用層的文件傳輸（FTP）、終端訪(fǎng)真（Telnet）、電子郵件（SMTP）和他公共協(xié)議保證；在自動(dòng)化領(lǐng)域，尚無(wú)標準的應用層，各自動(dòng)化廠(chǎng)商都有自己的應用層，如Mod bus Ethernet TCP/IP就是一種應用層協(xié)議。
為了在不同的網(wǎng)絡(luò )設備中實(shí)現互操作，公共應用層是。當前，多個(gè)組織正在為工業(yè)自動(dòng)領(lǐng)域的TCP/IP定義公共應用層協(xié)議。特別是將Ethernet用于現場(chǎng)設備級，是當前的熱點(diǎn)課題。例如，面向制造自動(dòng)化的Ethernet，產(chǎn)生了一種基于控制和信息的協(xié)議（CIP）的新型Ethernet――工業(yè)實(shí)時(shí)Ethernet。這是為傳輸控制協(xié)議/用戶(hù)數據協(xié)議/協(xié)議（TCP/UDP/IP）定義的、基于主機/客戶(hù)機的控制和信息協(xié)議。Ethernet的CIP稱(chēng)為Ethernet/IP。
CIP是專(zhuān)為工業(yè)控制設計的應用層協(xié)議，提供了訪(fǎng)問(wèn)數據和控制設備操作的服務(wù)集。它采用用戶(hù)數據協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（UDP/IP）和傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）作為Ethernet網(wǎng)上的控制和信息協(xié)議，允許發(fā)送顯式（信息）和隱式（控制）報文。其中，隱式報文是對時(shí)間有苛刻要求的I/O信息（事件觸發(fā)、控制器互鎖等），通過(guò)UDP/IP完成的隱式報文中數據區包含實(shí)時(shí)I/O數據（CIP的控制部分）；顯式報文是無(wú)時(shí)間苛刻要求的點(diǎn)對點(diǎn)信息，可由TCP/IP完成（CIP的信息部分）。CIP向終端用戶(hù)提供了自動(dòng)化系統必不可少的控制、組態(tài)、數據采集服務(wù)功能。為面向自動(dòng)化領(lǐng)域提供了Ethernet網(wǎng)上的工業(yè)自動(dòng)化設備的互操作性和可換性。
最近，著(zhù)名的工業(yè)通信技術(shù)國際組織――ODVA和PI在美國德州休斯敦新聞發(fā)布會(huì )上發(fā)表公開(kāi)信，聲稱(chēng)他們迄今為止相互競爭的現場(chǎng)總線(xiàn)――以太網(wǎng)解決議案要在OPC建議的DX協(xié)議下彼此協(xié)調以推進(jìn)標準化工作。特別是就定義工業(yè)以太網(wǎng)專(zhuān)題">工業(yè)以太網(wǎng)的功能和互操作性達成共識，并將以下方面作為工作重點(diǎn)：IP地址即插即用互操作的通用策略、裝置描述和恢復機制；網(wǎng)絡(luò )診斷議案；指導使用WEB技術(shù)；一致性測試需求；產(chǎn)生一種應用接口，以消除協(xié)議間的差異。
OPC DX是一個(gè)開(kāi)放的解決議案，允許當今市場(chǎng)上存在的標準：FF的HSE/H1、ODVA的CIP及PI的PROFINET相互并存。OPC DX標準提供了可互操作的數據交換和在以太網(wǎng)上報務(wù)器對服務(wù)器的通信。它是已存在的OPC數據訪(fǎng)問(wèn)規范的擴充，它還擴充了運行時(shí)間內的數據共享交換及實(shí)時(shí)協(xié)議應用的獨立性。利用擴充的OPC接口，可以協(xié)調和互聯(lián)不同現場(chǎng)總線(xiàn)組織的不同協(xié)議。OPC DX規范和源碼在2001年12月份公布，來(lái)自多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商的原型在2002年4月出現。
Ethernet作為為總線(xiàn)的前景、困難以及對策
1． Ethernet作為現場(chǎng)總線(xiàn)的前景
自動(dòng)化系統和管理管理的進(jìn)一步融合，WEB技術(shù)和無(wú)線(xiàn)等應用促使自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )采用通用的Ethernet。
主流自動(dòng)化廠(chǎng)商對Ethernet工業(yè)應用的積極態(tài)度將起到強大的推動(dòng)作用，同時(shí)也緩解總線(xiàn)之爭的負作用。
Ethernet本身的迅速發(fā)展，在性能人價(jià)格上還有很大的改善空間。
Ethernet，TCP/IP本身未解決互操作性問(wèn)題，但為之鋪平了道路。
在單元和模板以上，Ethernet已具有優(yōu)勢。在傳感器級別，性?xún)r(jià)比還不具競爭力，有大小用之嫌。
在儀表等領(lǐng)域，Ethernet要滿(mǎn)足本安型應用有一定難度，也很難滿(mǎn)足對儀表供電等要求。市場(chǎng)集中度進(jìn)一步提高，Ethernet有顯著(zhù)增長(cháng)。主要廠(chǎng)商目前的動(dòng)態(tài)表明，對Ethernet的預期仍然保守。
2． 促進(jìn)工業(yè)Ethernet應用對中國產(chǎn)業(yè)界的影響及建議
由于國對總線(xiàn)之爭未付出大的代價(jià)，同時(shí)也沒(méi)有一種總線(xiàn)在中國占壓倒性?xún)?yōu)勢，跟蹤并采用國際光先進(jìn)和技術(shù)可以發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，迅速縮短與發(fā)達國家的差距。
采用開(kāi)放、免費并且知識產(chǎn)權限制的技術(shù)Ethernet和TCP/IP，可以節約資金，減少技術(shù)的領(lǐng)帶性，并有得自主知識產(chǎn)權技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
減少專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )的影響，有利于形成公平的市場(chǎng)競爭環(huán)境有利于中國與國際接軌，降低項目投資費用。采用Ethernet和TCP/IP等開(kāi)放的技術(shù)，可以促進(jìn)WEB自動(dòng)化等更先進(jìn)技術(shù)的和模式在中國的應用有得制造業(yè)中間件軟件市場(chǎng)的形成，為中國參與下一波國際技術(shù)競爭創(chuàng )造良好的條件。
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