幾年前，當現(xiàn)場總線大戰(zhàn)硝煙正濃時，傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)的以太網(wǎng)卻悄悄地進入了控制領域。近來以太網(wǎng)更是走向前臺，發(fā)展迅速，頗引人注目。究其原因，是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展，其中，通信已成為關鍵，用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架，但目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求。應該說，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)確實給工業(yè)自動化帶來一場深層次的革命，但多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡存在協(xié)議上的鴻溝導致出現(xiàn)“自動化孤島”等，促使人們開始尋求新的出路，并關注到以太網(wǎng)。以太網(wǎng)有以下優(yōu)點：
(1)具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率(目前已達到100Mb/s)，能提供足夠的帶寬；
(2)由于具有相同的通信協(xié)議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術)世界；
(3)能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡平臺或基礎構架；
(4)在整個網(wǎng)絡中，運用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術；
(5)沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具，成為事實上的統(tǒng)一標準；
(6)允許使用不同的物理介質和構成不同的拓撲結構。
至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現(xiàn)、優(yōu)先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細地選擇網(wǎng)絡的拓撲結構及限制網(wǎng)絡負載等，可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。此外，如Hirschmann公司已開發(fā)出一系列加固的、適合用于工業(yè)環(huán)境的密封和抗振動的以太網(wǎng)器件，如導軌式收發(fā)器、集線器、切換器、連接件等；Woodhead Connectivity公司推出保護等級為IP67的RJ-45連接器件。凡此種種，給以太網(wǎng)進入實時控制領域創(chuàng)造了條件。正因為如此，ARC(Automation Research Company)預測今后Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎協(xié)議。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日發(fā)布的調查報告中預測，在工業(yè)控制應用領域，以太網(wǎng)的世界市場份額將由1998年的8.4%躍升為2003年的22%，是各種總線中升幅最大的。
目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網(wǎng)進入控制領域的工作，如IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會)正在著手制訂現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信的新標準。該標準將使網(wǎng)絡能看到“對象”。IAONO(工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡聯(lián)盟)最近與ODVA和IDA集團就共同推進Ethernet和TCP/IP達成共識。ODVA(DeviceNet供應商協(xié)會)于2000年3月17日發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務的工業(yè)標準。FF(現(xiàn)場總線基金會)于2000年3月29日公布了高速以太網(wǎng)(100Mb/s)的最終技術規(guī)范(FSI1.0)。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作，開展工業(yè)以太網(wǎng)關鍵技術的研究。目前1000Mb/s以太網(wǎng)的發(fā)展已進入實用階段，雖然其價格還比較昂貴。由以上分析可知，以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域是一個不可忽視的發(fā)展趨勢。本文概要介紹工業(yè)以太網(wǎng)最近的一些進展，并對今后的展望作一些探討。
一 在應用層中的進展
1. 封裝 眾所周知，以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質定義和一個共享的構架。構架包括物理介質、幀格式和LAN設備數(shù)據(jù)的尋址格式，即它只提供物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)、TCP或UDP協(xié)議(層四)，當以太網(wǎng)用于信息技術時，第七層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)、FTP (文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠程登錄)等。但當它用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在第七層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議。對這些不同的概念進行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)。TCP/IP支持基于異種操作系統(tǒng)的異種網(wǎng)絡間的互聯(lián)，它是真正的開放系統(tǒng)通信協(xié)議，已成為目前國際上進行異種網(wǎng)絡互聯(lián)的事實上的標準。
“封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP、FF開發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前，現(xiàn)場總線報文基本上沒有什么變化并作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內，很容易向下兼容到基于以上總線的協(xié)議。
Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息協(xié)議)，如圖1所示。
CIP通過“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數(shù)據(jù)和控制設備的寬范圍的服務。
在發(fā)送CIP數(shù)據(jù)包以前必須對其進行封裝，CIP數(shù)據(jù)包給定一個報文首部(header)，該首部的內容取決于所請求的服務屬性。
通過以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個專用的以太網(wǎng)首部、一個IP首部、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令、格式、狀態(tài)信息和同步數(shù)據(jù)等，這允許CIP數(shù)據(jù)能通過TCP或UDP傳送并確保在接收方進行解碼。
Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協(xié)議的Modbus TCP/IP的模塊應用于Memetum PLC。Modbus TCP已成為半導體工業(yè)的標準EMIE54.9-2000。
FF的HSE是高效地映像到UDP (用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議，一個被認為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議，其首部比TCP首部短而簡單，只需8個字節(jié)，而TCP為長度可變的40個字節(jié))的一個最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議，為IEC61158現(xiàn)場總線國際標準的類型5。
另一種解決方案是在現(xiàn)場總線的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報文分割為若干個小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進行傳輸，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數(shù)據(jù)包將在接收方重新裝配從而恢復為原來的TCP/IP報文。
封裝方案的缺點是協(xié)議的效率低，以太網(wǎng)的首部比用戶數(shù)據(jù)大得多，從而大幅度地增加開銷，因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數(shù)據(jù)信息。
2. 代理服務器 代理服務器(Proxy)類似于對兩個不同通信協(xié)議進行轉換的網(wǎng)關(Gate-way)，但其功能要比后者強得多。代理服務器的主要目標是將標準現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡，其主要優(yōu)點是現(xiàn)有的現(xiàn)場總線設備在今后仍能長期使用，從而保護用戶的投資。支持這種觀點的是由Profibus國際組織發(fā)布的Profinet，它包含兩個概念，即開放的、面向對象的運行期(Runtime)概念和獨立于制造商的工程概念。運行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(運程程序調用)和DCOM，并對這些基本機制進行加強和優(yōu)化，因而它適合于高實時性能要求的應用領域。工程概念包括建立工程對象模型，它不僅使用戶能通過不同制造商的組態(tài)工具進行開發(fā)，還可以采用分面(Facet)的方法定義制造商和應用專用的擴展功能，因此支持在單個工廠范圍集成不同制造商的產(chǎn)品。
3. 實時通信系統(tǒng) IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自動化的接口)采用美國California公司開發(fā)的位于第四層的NDDS實時通信系統(tǒng)，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬范圍強有力的應用服務。IDA的另一個重要特性是基于Web的設備管理。所有現(xiàn)場設備均有其本身的Web頁面，包括組態(tài)、操作和診斷參數(shù)，用戶可通過標準的瀏覽器進行訪問。基于XML的設備描述簡化了系統(tǒng)的組態(tài)，并支持設備的互操作性和互換性。IDA位于工業(yè)以太網(wǎng)的第七層，它還定義從第四層到第七層和應用接口(API)之間的通信，甚至還包括應用程序的標準編程接口。IDA集團在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術規(guī)范。IDA的模型如圖2所示。
二 嵌入以太網(wǎng)的I/O
早在1998年，F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場設備、控制器和PC機工作站集成為一個高可靠、低成本的實時控制的信息網(wǎng)絡。近年來，一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，舉例如下： (1)Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，并不斷擴展和改進其產(chǎn)品，如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品；
(2)National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場設備到以太網(wǎng)的鏈接；
(3)SixNet提供嵌入以太網(wǎng)芯片的I/O模塊；
(4)Optimation(Hutsrille, Ala)發(fā)布內裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品；
(5)Automation direct.com和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網(wǎng)I/O新產(chǎn)品已面市；
(6)GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的 鏈接；
(7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產(chǎn)品，聲稱是使傳統(tǒng)的自動化控制器能訪問以太網(wǎng)的基礎結構；
(8)Action公司的子公司Busware公布以太網(wǎng)的E系列I/O模塊，如圖3所示。
此外，現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場總線設備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內裝有Web服務器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)。
三 網(wǎng)絡就是控制器
德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發(fā)布的Jetweb自動化系統(tǒng)立意新穎，它是基于100Mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，宣稱“網(wǎng)絡就是控制器”的觀點。其特點是：(1)類似Internet的結構，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡的層次結構；(2)對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中只需表達一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復使用，網(wǎng)絡扮演真正服務器的作用；(3)從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網(wǎng)總線進行直接通信；(4)可連接到Internet，實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；(5)以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設備的現(xiàn)場總線，內部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內部通信從外部通信中分離出來。
四 小結
Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert說：“嵌入有以太網(wǎng)的現(xiàn)場設備，以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現(xiàn)實”。這個預言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進入現(xiàn)場控制級。但從目前的趨勢來看，已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在，不太可能退出歷史舞臺。在現(xiàn)場級，工業(yè)以太網(wǎng)能占領一定的市場，但它是否能作為實時控制通信的單一標準，一時難作定論，最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)。此外，并非每種現(xiàn)場總線都將被工業(yè)以太網(wǎng)總線所替代，如AS-i、CAN，這兩種現(xiàn)場總線就應用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器而言，無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數(shù)據(jù)，且總線可帶電；CAN最多傳輸8個字節(jié))，還有一些專用總線，如SERCOS (用于數(shù)控，控制運動軸，為IEC61491國際標準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應用領域，均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)。另外，易燃、易爆(如化工、制藥)，以及環(huán)境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場合，也不適宜于應用工業(yè)以太網(wǎng)。
綜上所述，已有的現(xiàn)場總線有它自己的市場定位，將來仍將保持這種狀況，或與工業(yè)以太網(wǎng)相結合?，F(xiàn)場總線不可能為工業(yè)以太網(wǎng)所替代，但后者發(fā)展的巨大潛力決不容忽視，其應用領域定將不斷地得到擴展
