【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線 【論文摘要】隨著以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息時(shí)代的到來和現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，企業(yè)綜合自動(dòng)化在現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)中的作用也越來越重要，它把工廠內(nèi)各個(gè)孤立的局部自動(dòng)化子系統(tǒng)在新的管理模式與工藝指導(dǎo)下，綜合運(yùn)用信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其支持軟件技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進(jìn)行有效的控制和協(xié)調(diào)，以適應(yīng)新的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)管理過程提出的高質(zhì)量、高速度、高靈活性和低成本的要求。 引言 隨著以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息時(shí)代的到來和現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，企業(yè)綜合自動(dòng)化在現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)中的作用也越來越重要，它把工廠內(nèi)各個(gè)孤立的局部自動(dòng)化子系統(tǒng)在新的管理模式與工藝指導(dǎo)下，綜合運(yùn)用信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其支持軟件技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進(jìn)行有效的控制和協(xié)調(diào)，以適應(yīng)新的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)管理過程提出的高質(zhì)量、高速度、高靈活性和低成本的要求。 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)上看可分為三個(gè)層次：即管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。如圖1所示。 其中，最上層的企業(yè)管理層網(wǎng)絡(luò)，主要用于企業(yè)的計(jì)劃、銷售、庫存、財(cái)務(wù)、人事以及企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設(shè)備之間一般以發(fā)送電子郵件、下載網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)庫查詢、打印文檔、讀取文件服務(wù)器上的計(jì)算機(jī)程序等方式進(jìn)行信息的交換，數(shù)據(jù)報(bào)文通常都比較長(zhǎng)，吞吐量較大，而且數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機(jī)的、無規(guī)則的，因此要求網(wǎng)絡(luò)必須具有較大的帶寬。管理層層網(wǎng)絡(luò)主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）組成。 中間的制造執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)控、優(yōu)化、調(diào)度等方面信息的傳輸，其特點(diǎn)是信息傳輸具有一定的周期性和實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有較大的帶寬，以前由專用網(wǎng)絡(luò)如令牌網(wǎng)組成，如今這一層網(wǎng)絡(luò)則主要由傳輸速率較高的網(wǎng)段（如10M、100M Ethernet等）組成。 而最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)則主要用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室儀表之間的信息傳輸。它具有以下特點(diǎn)： （1）傳輸?shù)男畔㈤L(zhǎng)度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量、開關(guān)與閥門的工作位置、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等。其長(zhǎng)度一般都比較小，通常僅為幾位（bit）或幾個(gè)、十幾、幾十個(gè)字節(jié)（byte），對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺? （2）通信響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求較高。工業(yè)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是“硬”的，因?yàn)樗婕鞍踩?，所以必須在任何時(shí)間都及時(shí)響應(yīng)，不允許有不確定性。它包括兩方面的要求，一是傳輸速度要快，即網(wǎng)絡(luò)通信速率要高，二是響應(yīng)時(shí)間要短，響應(yīng)時(shí)間可由4個(gè)方面決定：儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力；信息在通信協(xié)議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時(shí)間；等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)間；避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時(shí)間。由于這個(gè)時(shí)間對(duì)大多數(shù)通信協(xié)議是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個(gè)時(shí)間達(dá)到最短，但它要求最大值是預(yù)先可知的，并小于一定值。另外，通信響應(yīng)實(shí)時(shí)性還與系統(tǒng)的巡回時(shí)間有關(guān)，通常最長(zhǎng)巡回時(shí)間是預(yù)先可知的，并小于一定值。 （3）較強(qiáng)的可靠性與安全性。對(duì)于工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，必須解決環(huán)境適應(yīng)性問題，它包括電磁環(huán)境適應(yīng)性（傳輸時(shí)不要干擾別人，也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（要耐溫、防水、防塵）、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（要耐沖擊、耐振動(dòng)）。而安全性要求則是指網(wǎng)絡(luò)傳輸媒體上所傳輸?shù)哪芰恳?，在正常工作或出現(xiàn)故障時(shí)，均不致引發(fā)災(zāi)難事故。 （4）總線供電，即工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時(shí)總線供電還能減少線纜，降低布線成本。 正是由于以上特點(diǎn)和特殊性，目前現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)主要由低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)組成。 1.現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生回顧 所謂現(xiàn)場(chǎng)總線，按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC／SC65C的定義，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置之間、以及現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)（FCS）。 現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生是多方面因素共同作用的結(jié)果。 首先，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生反映了儀器儀表發(fā)展的需要。儀器儀表的發(fā)展經(jīng)歷了全模擬式儀表、智能儀表、具有通信功能的智能儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表等幾個(gè)階段。其中，全模擬式儀表是將傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大后，經(jīng)過V/I電路轉(zhuǎn)換，輸出4～20mA或0～5V的模擬信號(hào)，（如圖2a所示）。其后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微處理器在儀器儀表中得到了廣泛應(yīng)用，過程變量經(jīng)調(diào)理放大、A/D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過微處理器的運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，再通過D/A、V/I等電路，仍然以4～20mA或0～5V的模擬信號(hào)輸出（如圖2b所示），這種智能儀表相對(duì)于全模擬儀表來講，測(cè)量精度得到大大提高，但信號(hào)傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾，傳輸精度和可靠性都不高。于是，人們?cè)趦x器儀表中增加了通信接口（如RS232/485等），以數(shù)字通信的方式代替模擬信號(hào)傳輸（如圖2c所示）。但由于這些通信標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了物理層上的電氣特性，而對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層及其以上各通信層次，則沒有統(tǒng)一定義，致使不同儀表所使用的通信協(xié)議可能各不相同，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的儀器儀表也會(huì)由于通信協(xié)議的專有與不兼容而無法實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，并嚴(yán)重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。為解決這個(gè)問題，必須使這些網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，組成開放互連系統(tǒng)，于是就產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)總線。 其次，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生反映了企業(yè)綜合自動(dòng)化、信息化要求。為了適應(yīng)越來越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要，逐步形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)來組織工業(yè)生產(chǎn)，把市場(chǎng)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的綜合自動(dòng)化，在信息采集、加工的基礎(chǔ)上，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息集成，并進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)與操作，增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。因而信息技術(shù)成為工業(yè)生產(chǎn)制造過程的重要因素，必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化智能設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。 因此，從20世紀(jì)80年代開始，各種現(xiàn)場(chǎng)總線相繼產(chǎn)生，其中主要的有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡(luò)LonWorks（Local Operating Network ）、過程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS（Process FieldBus）和HART協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer）以及DeviceNet、ControlNet、P-NET，等等。 面對(duì)如此之多的現(xiàn)場(chǎng)總線，用戶如何選擇？為解決這個(gè)問題，國(guó)際電工委員會(huì)IEC在1984年就開始籌備制定單一現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的驅(qū)使，圍繞著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一場(chǎng)大戰(zhàn)，最后經(jīng)過多方妥協(xié)，于1999年年底通過了包含F(xiàn)F、Profibus、DeviceNet、P-NET、Interbus等八種總線在內(nèi)的IEC61158，而沒有實(shí)現(xiàn)制定單一標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。許多人也因此對(duì)制定單一國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)已失去信心，致使2000年之后的標(biāo)準(zhǔn)混戰(zhàn)明顯降溫。這個(gè)結(jié)局也在向世人表明，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)多種現(xiàn)場(chǎng)總線將并存，控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成與信息集成會(huì)面臨困難的復(fù)雜局面。無論是最終用戶還是制造商，普遍都在關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展新動(dòng)向，都有在尋求高性能低成本的解決方案。與此同時(shí)，人們也紛紛發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，過多強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)場(chǎng)總線的特殊性，而忽視了與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如Ethernet技術(shù)）的結(jié)合。 2.為什么以前不用Ethernet作現(xiàn)場(chǎng)總線？ Ethernet（Ethernet）最初是在1973年由Dr Robert Metcacfe 領(lǐng)導(dǎo)的小組在Xerox Palo Alto Research Park研制出來的，應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)終端。后幾經(jīng)修改，1983年出版了的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，它和1985年發(fā)布的ISO8802.3標(biāo)準(zhǔn)是相同的。 Ethernet采用星型或總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10M、100M、1000M甚至更高，傳輸介質(zhì)為屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜等。 Ethernet區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)（如令牌網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、主從式網(wǎng)絡(luò)等）的重要特點(diǎn)是，它采用的介質(zhì)訪問控制方法——CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測(cè)載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問）是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；如果兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將發(fā)生碰撞，同時(shí)節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間后重新發(fā)送。16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。 在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，Ethernet上存在的這種碰撞成了主要問題，因?yàn)樗鼧O大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時(shí)，并導(dǎo)致Ethernet實(shí)際性能的下降。由于在一系列碰撞后，報(bào)文可能會(huì)丟失，因此節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障。Ethernet的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機(jī)制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和通信響應(yīng)的“不確定性”。 而對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，Ethernet的這種通信“不確定性”會(huì)導(dǎo)致通信延遲的“不確定性”，并導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，控制效果不穩(wěn)定，甚至?xí)鹣到y(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時(shí)，還會(huì)因報(bào)警信息不能及時(shí)得到響應(yīng)，而導(dǎo)致災(zāi)難事件的發(fā)生，并成了它應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主要障礙。 Ethernet沒有用于現(xiàn)場(chǎng)總線的另外一個(gè)重要原因是，作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的核心組成部分——微處理器，在20世紀(jì)80年代時(shí)還處于初期發(fā)展階段，功能簡(jiǎn)單，數(shù)字處理能力不強(qiáng)，不能處理Ethernet上“捆綁”使用的TCP/IP協(xié)議。 3.Ethernet正逐漸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域 盡管Ethernet是一種隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)，但由于其技術(shù)比較簡(jiǎn)單、完全公開，能很快被大家接受，通過不斷改進(jìn)、提升，市場(chǎng)占有率（特別是辦公自動(dòng)化OA領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率）越來越大，而成本卻越來越低，進(jìn)而變成主流，即使IBM力推Token Ring（令牌環(huán)網(wǎng)）架構(gòu)也已難擋此潮流。據(jù)VDC調(diào)查報(bào)告，如今已有約93%以上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有Ethernet接口。 那么，Ethernet能不能應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域呢？ 我們知道，令牌總線控制方式在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用得較多，其特點(diǎn)是，網(wǎng)絡(luò)上各工作站對(duì)總線的控制權(quán)是由令牌來控制的。收到令牌的節(jié)點(diǎn)在一段規(guī)定時(shí)間內(nèi)擁有網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的控制訪問權(quán)，并向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一幀或多幀信息，當(dāng)該站傳輸已經(jīng)完成或它占用網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定時(shí)間到時(shí)，它就將令牌傳遞到下一邏輯站。因此，傳輸過程就是由交替進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸階段和令牌傳送階段組成。由于令牌傳遞時(shí)間、擁有令牌的節(jié)點(diǎn)占用網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的時(shí)間是預(yù)先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定的情況下，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送的時(shí)間是可以預(yù)先估計(jì)出來的，因此，令牌網(wǎng)又稱為“確定性”網(wǎng)絡(luò)。顯然，這種確定性比較適合通信確定性和響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。其中Arcnet網(wǎng)絡(luò)就是比較著名的令牌總線之一，傳輸速率為2.5Mbps，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度最大為508字節(jié)，可使用電纜、雙絞線和光纖等傳輸介質(zhì)。 通過比較Arcnet網(wǎng)絡(luò)與Ethernet在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下的通信響應(yīng)性能（如圖3所示）。 可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷較輕時(shí)，Ethernet網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度明顯大于Arcnet網(wǎng)絡(luò)，但隨著負(fù)荷的增加Ethernet網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度就急劇下降，而Arcnet網(wǎng)絡(luò)卻下降得非常緩慢。這是因?yàn)?，?dāng)負(fù)荷輕時(shí)，Ethernet網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生碰撞的概率很低，幾乎可以隨時(shí)發(fā)送，而Arcnet網(wǎng)絡(luò)則必需要有令牌才能發(fā)送，當(dāng)然沒有Ethernet網(wǎng)快。但當(dāng)負(fù)荷很重時(shí)，Ethernet網(wǎng)的碰撞概率急劇增加，這就象一群人亂哄哄的擠一個(gè)門，這群人要完全進(jìn)入門中，得花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。而Arcnet則象一群人排隊(duì)進(jìn)一個(gè)門，其進(jìn)入速度肯定比前者快。同時(shí)，也可看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于25%時(shí)，Ethernet網(wǎng)的響應(yīng)速度要比Arcnet網(wǎng)要快。在典型的工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，通信峰值負(fù)荷為10M Ethernet的5%，100M Ethernet網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷為0.5%。如果通過仔細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于10%，完全可以采用Ethernet網(wǎng)來取代Arcnet網(wǎng)等令牌網(wǎng)。 事實(shí)上，由于以太網(wǎng)接口芯片已非常普遍，價(jià)格低廉，已從OA領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到FA（工廠自動(dòng)化）領(lǐng)域，目前幾乎所有遠(yuǎn)程I/O和控制器的均能提供一個(gè)支持TCP/IP的Ethernet接口。與此同時(shí)，Ethernet也成現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，并被作為各種現(xiàn)場(chǎng)總線的高速組成部分，如現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation，F(xiàn)F）的HSE（High Speed Ethernet），Profibus國(guó)際（Profibus International，PI）的ProfiNet等、ControlNet國(guó)際（ControlNet International，CI）和開放設(shè)備網(wǎng)制造商協(xié)會(huì)（Open DeviceNet Vendor Association，ODVA）的Ehternet/IP，MODBUS用戶集團(tuán)的MODBUS/TCP等等，但這些協(xié)議還主要應(yīng)用于控制系統(tǒng)的中、上層設(shè)備間的通信。另外，據(jù)美國(guó)權(quán)威調(diào)查機(jī)構(gòu)ARC（Automation Research Company）報(bào)告指出，今后Ethernet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)通信市場(chǎng)，也必將領(lǐng)導(dǎo)未來現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)協(xié)議。美國(guó)VDC（Venture Development Crop.）調(diào)查報(bào)告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，市場(chǎng)占有率的增長(zhǎng)也越來越快，將從2000年11%增加到2005年23%。 4.Ethernet能不能用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)？ 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信成為可能。 1、通信確定性 首先，Ethernet的通信速率從10M、100M到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，也就意味著網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。 其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。Ethernet交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再會(huì)發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行包過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。 再次，全雙工通信又使得端口間兩對(duì)雙絞線（或兩根光纖）上分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，也不會(huì)發(fā)生沖突。 因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可以使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域已經(jīng)不復(fù)存在（全雙工通信），或碰撞機(jī)率大大降低（半雙工），并由此使Ethernet通信“確定性”和實(shí)時(shí)性得到大大提高。 2、通信穩(wěn)定性與可靠性 Ethernet進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為OA領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，抗干擾性能較差，不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求，也不具備本安特性和向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的性能。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定地工作的問題，美國(guó)Synergetic微系統(tǒng)公司和德國(guó)Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。美國(guó)NETSilicon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(xiàn)場(chǎng)總線接口芯片相比，具有很大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn)行了定義。 此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對(duì)于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以可以提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。 5.Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)尚需解決的主要問題 Ethernet在應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還需要解決以下一些關(guān)鍵問題： 1、Ethernet實(shí)時(shí)通信服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）支持策略 所謂實(shí)時(shí)通信服務(wù)質(zhì)量，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，為滿足工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制要求，而提出的一系列通信特征需求，這些特征包括響應(yīng)延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級(jí)等。 工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)信息，除了傳統(tǒng)的各種測(cè)量數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)、組態(tài)監(jiān)控和診斷測(cè)試信息以外，還有歷史數(shù)據(jù)備份、工業(yè)攝像數(shù)據(jù)、工業(yè)音頻視頻數(shù)據(jù)等等。這些信息對(duì)于實(shí)時(shí)性和通信帶寬的要求各不相同，因此要求工業(yè)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)外部環(huán)境和各種信息的通信要求的不斷變化，為緊要任務(wù)提供最低限度的性能保證（Guaranteed-Response，GR）服務(wù)，同時(shí)為非緊要任務(wù)提供盡力（Best-Effort，BE）服務(wù)，從而確保整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的性能。 為此，將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信時(shí)，應(yīng)根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信要求和特點(diǎn)的分析，制定相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、流量控制、優(yōu)先級(jí)控制、數(shù)據(jù)報(bào)重發(fā)控制機(jī)制等策略，以保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)QoS。 2、滿足通信一致性和互可操作性的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議規(guī)范 由于工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個(gè)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個(gè)借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計(jì)算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。 從ISO/OSI的七層通信參考模型來看，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主（已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對(duì)較高的層次如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計(jì)算機(jī)設(shè)備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行互信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。為此，為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，必須在Ethernet +TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機(jī)制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。 3、網(wǎng)絡(luò)可用性 所謂網(wǎng)絡(luò)生存性，亦可稱為網(wǎng)絡(luò)可用性，是指系統(tǒng)中，任何一組件發(fā)生故障，都不應(yīng)導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序以至于整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。它包括可靠性、可恢復(fù)性、可管理性等幾個(gè)方面的內(nèi)容，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。其中可靠性是指，組成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器、I/O模塊、操作站、工程師站等硬件設(shè)備均應(yīng)滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，相應(yīng)的軟件（包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件、應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)等）必須工作穩(wěn)定、可靠，因此系統(tǒng)組件與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的可靠性成了自動(dòng)化設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 所謂可恢復(fù)性，是指當(dāng)系統(tǒng)中任一設(shè)備或網(wǎng)段發(fā)生故障而不能正常工作時(shí)，系統(tǒng)能依靠事先設(shè)計(jì)的自動(dòng)恢復(fù)程序?qū)嚅_的網(wǎng)絡(luò)鏈路重新鏈接起來，并將故障進(jìn)行隔離。同時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)定位故障，以使故障能夠得到及時(shí)修復(fù)。一般來講，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可恢復(fù)性取決于網(wǎng)絡(luò)裝置和基礎(chǔ)組件的組合情況。 可管理性是高可用性系統(tǒng)的最受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。通過對(duì)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的在線管理，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)緊急情況，并使得故障能夠得到及時(shí)的處理?？晒芾硇砸话惆ㄐ阅芄芾?、配置管理、在線變化管理等過程。 4、網(wǎng)絡(luò)安全性 將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備通過以太網(wǎng)連接起來時(shí)，由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會(huì)受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅，并因此成為眾人關(guān)心的另一個(gè)重要問題。對(duì)此，一般可采用網(wǎng)絡(luò)隔離（如網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等隔離）的辦法，將控制區(qū)域內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分開。此外，還可以通過用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。但目前尚沒有針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全的成熟軟件。 5、本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù) 對(duì)應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆技術(shù)包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，造價(jià)低；可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換；安全可靠性高；適用范圍廣。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。 由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六、七十毫安（5伏工作電源），因此低功耗的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）設(shè)計(jì)非常難以實(shí)現(xiàn)。因此，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對(duì)于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場(chǎng)合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。 6.Ethernet應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的趨勢(shì)。如法國(guó)施耐德公司推出的基于嵌入式Web的“透明工廠”系統(tǒng)中以太網(wǎng)、嵌入式Web等商用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于信息管理層、監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。國(guó)內(nèi)如浙江大學(xué)、浙大中控聯(lián)合推出的基于EPA（Ethernet for Process Control）的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，也將以太網(wǎng)直接應(yīng)用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信，實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制層到管理層等網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)的統(tǒng)一（即所謂的“E（Ethernet）網(wǎng)到底”，如圖4所示）。 與此同時(shí)，國(guó)際上的一些組織也正在研究以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，它們是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)（Industrial Ethernet Association）、工業(yè)自動(dòng)化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會(huì)IAONA（Industrial Automation Open Networking Alliance）、IDA（Interface for Distributed Automation）小組等。在2002年4月在北京召開的IEC/TC65全體會(huì)議上，IEC SC65C/WG1也將工業(yè)以太網(wǎng)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)列為其未來工作內(nèi)容，并在IEC61784 part-2中加入基于工業(yè)以太網(wǎng)媒體的行規(guī)，同時(shí)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸媒體、本質(zhì)安全、總線供電、通信安全性等幾方面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，以適用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展之需要。 7.結(jié)束語 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化的基礎(chǔ)，隨著企業(yè)信息化與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于化工、石化、制藥、冶金、采礦、電力、食品加工、能源、數(shù)控系統(tǒng)等所有行業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域，必將受到廣大用戶的歡迎和擁護(hù)有著廣闊的推廣應(yīng)用市場(chǎng)。 當(dāng)然，在研究以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，除了要考慮工業(yè)自動(dòng)化控制本身的特點(diǎn)和需求外，還應(yīng)充分利用信息網(wǎng)絡(luò)成熟技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用實(shí)際，借鑒以太網(wǎng)在商用領(lǐng)域的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采取分步實(shí)施的策略，首先從解決“數(shù)字通信”開始，再逐步過渡到全分散現(xiàn)場(chǎng)控制、管控一體化方向發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： [1]魏慶福.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向:"99NTERKAMA展覽會(huì)的啟示.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2000,13（1）:1-4. 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