摘要:分析和總結了當前存在的各種工業現場總線標準,指出了現場總線技術的發展方向;系統地闡明了應用工業以太網技術所面臨的關鍵技術及相應的解決方案;指出了工業以太網技術的發展前景。關鍵詞:現場總線標準工業以太網關鍵技術解決方案1現場總線標準的現狀現場總線是安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的

摘要:分析和總結了當前存在的各種工業現場總線標準,指出了現場總線技術的發展方向;系統地闡明了應用工業以太網技術所面臨的關鍵技術及相應的解決方案;指出了工業以太網技術的發展前景。
關鍵詞:現場總線標準工業以太網關鍵技術解決方案
1現場總線標準的現狀
現場總線是安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動化裝置之間的數字式串行多點通信的數據總線,是計算機技術、通信技術和控制技術發展的結晶。現場總線控制系統(FCs)是一種全數字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統川。由于采用了全數字化技術,Fcs極大地簡化了傳統控制系統繁雜的布線工作量,并使系統檢測和控制單元的分布更加合理。與傳統的分布式控制系統(DCS)相比,FCS具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性好,以及實現了管控一體化的結構體系等優點。
現場總線技術需要處理自動化行業千變萬化的現場儀表設備,需要實現不同廠家、不同種類產品的互連,現場總線技術標準化工作顯得至關重要。為此,IEC(國際電工委員會)于1984年提出制訂現場總線技術標準IECI158(即IEC6ll58),它的目標是制訂面向整個工業自動化的現場總線標準。經過十幾年的發展,各國的大公司都投人了大量人力、物力、財力,在市場上展開了激烈的競爭,產生了幾十種現場總線標準。這些標準和協議有許多共同之處,又有各自的特色和技術細節,同時也代表了一些跨國大公司和大集團的商業利益。IECTC65于1999年12月通過了IEC6ll58國際技術標準,它包含了8種類型:
類型1IEC技術報告(即FFHI);
類型2ControlNet(美國Roekwell公司支持);
類型3Profibus(德國Siemens公司支持);
類型4P一Net(丹麥而eessnata公司支持);
類型5FF一HSE(即原FFHZ,美國FisllerR0se-mount公司支持);
類型6SwiftNet(美國波音公司支持);
類型7worldFip(法國Alstom公司支持);
類型8Interbus(德國PhoenixContraet公司支持)。
再加上IEC/TC17B通過的3種現場總線國際標準 SDS、ASI與DevieeNet,以及15011898的CAN,現場總線標準共有12種之多。除此之外,一些國家還
有其國家標準,如英國的ERA、挪威的FINT等。一些國際的大公司也推出自己的標準,如日本三菱的CC-Link、施耐德公司的Modbus等。
從目前情況來看,現場總線技術的發展還存在諸多問題,最主要的是沒有一個統一的國際標準;而且由于支持不同現場總線的集團間利益的沖突等原因,近期產生統一的現場總線標準是不可能的。由于不同現場總線的通信協議有很大差異,要實現不同總線產品互連非常困難,這不但使FCS的開放性、分散性和可互現場總線標準的現狀和工業以太網技術操作性等特點難以體現,且用戶使用不便、工程造價提高,因此給FCS的推廣和應用帶來不利的影響。
現場總線可能的出路,可采用已經通用的國際標準EthernetTCP/IP等協議,并使之符合工業現場的要求,從而易于被廣大國家用戶、集成商和制造商所接受。
2工業以太網技術的現狀
所謂工業以太網,一般指技術上與商用以太網(即IEEE8o2.3)兼容。但在產品設計時,在媒質的選用,產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、電磁兼容性和本質安全方面能滿足工業現場需要的網絡。
1983年,IEEEsoZ委員會推出的以美國施樂公司、數字設備公司、英特爾公司提交的DlxEthametvZ為基礎,又叫做具有CSM刀CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)的網絡,是一種介質訪問控制技術閉。
TCP/IP協議是多臺相同或不同類型計算機進行信息交換的一套通信協議,是以太網的協議族。以太網是TCP/IP使用最普遍的物理網絡,實際上TCP/IP技術支持各種局域網絡協議。
由于如下幾點原因,以太網技術正在逐步進入工業自動化領域。
(l)近年來,自動化技術的發展使人們逐步認識到,單純提高生產設備單機自動化水平,并不一定給整個企業帶來好的效益;因此,企業給出的更高要求是將整個工廠作為系統實現其自動化及最佳經濟效益。
(2)工廠底層設備狀態、信息集成、數字通信網絡是信息系統的基礎。為滿足上層管理對底層設備信息的要求,底層設備狀態及信息集成是實現工廠F燈CIMS的基礎。
(3)工業過程采集的數據量越來越多,其傳輸速率要求也越來越高;而FCS速度較低,支持的應用有限,不便于與英特網信息集成。
(4)由于各種現場總線的標準不能統一,也無法兼容,不能真正實現透明信息互訪,無法實現信息的無縫集成。
(5)各種現場總線都是專用的實時通信網絡,成本較高,且速度也較慢,支持的應用也非常有限,不便與英特網信息集成。
鑒于以上各種原因,使一部分人自然轉向在IT行業已獲得成功的以太網技術。如法國施耐德公司1998年推出的 透明工作 (ModbusTCP/IP)使其成為工業Ethemet的倡導者[s];德國西門子公司2001年發布其工業Ethemet規范(Profinet);2口漢〕年美國Roerwell公司推出EtherNe口IP和基金現場總線FF推出的HSE等等。
3以太網應用于工業現場的關鍵問題及技術
3.1環境適用性、可靠性、安全性
眾所周知,工業環境要求抗振動、沖擊;氣候環境要求適應溫度變化,并耐腐蝕、防塵、防水;電磁環境要求電磁兼容性EMC符合EN50081一和EN50082一標準。針對這些環境適應性要求,工業以太網都采用工業級的電子元器件。其具有耐腐蝕、防塵、防水、加固型盯一45.DB一、航空接頭等的接插件,雙冗余的電源供方式,DIN導軌的安裝方式,滿足EN50081-2.ENS(X)82一電磁兼容。如美國Syne吧etie微系統公司和德國Hirschmann公司等專門開發和生產了導軌集線器、收發器和交換機產品,安裝在標準的DIN導軌上,并在冗余電源供電,接插件采用牢固的DB習結構。美國W以記haadConnectivity公司開發和生產了用于工業控制現場的加固型連接器;國內也有此類產品,如東土電信的心EN系列工業以太網交換機;臺灣地區的四零四科技在2002年6月推出工業以太網產品 MOXAEtherDevieeServer(工業以太網服務器),特別設計了用于連接工業應用中具有以太網接口的工業設備。
3.2工業以太網的通信確定性和實時性
以太網通信響應的不確定是它在工業現場設備中應用的致命弱點和主要障礙之一。眾所周知,以太網采用CSM燈CD機制解決通信介質層的競爭通路,這種機制使得以太網不是本質上的實時性網絡;而且由于沖突的存在使得以太網具有不確性,甚至發生頻繁的碰撞,導致某些節點數據幀的丟失。
隨著以太網技術的發展,在確定性速度和優先法則方面得到了很大的提高,越來越能滿足工業應用的需要。近幾年來,交換式以太網技術的出現大大提高了以太網的確定性:利用交換技術,可以將一個較大的網絡分隔成為各自相對獨立的沖突域,使沖突只能在一個相對較小的區域內產生;具有數據存儲的功能,使各級端口之間輸人和輸出的數據幀得到緩沖;還可以對網絡上的傳輸數據進行過濾,使每個網絡內節間點數據的傳輸只能在本地網段內進行,降低了主干網的負荷;另外,以太網的通信速率從roM、looM增大到如今的1以X)M、IG,在數據吞吐量相同的情況下,速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小,即網絡沖突概率的大大下降;全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(光纖)上分別同時接收和發送報文幀,也不會發生沖突。所以,工業以太網的通信確定性和實時性大大提高。
3.3網絡安全性
工業以太網由于使用了TCP/IP協議,因此可能會受到包括病毒、黑客的非法人侵與非法操作等網絡安全威脅。
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;另外也可實施控制區域微網段化,各控制區域通過具有網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統主干網相連,實現各控制區域與其他區域之間的邏輯上的網絡隔離。
3.4總線供電技術問題
所謂總線供電是指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號,還能給現場設備提供電源。對需要防爆隔離的危險場所,總線供電的意義十分重要;而Ether-net原來主要用于商業場所,沒有總線供電的要求。
目前可采用直接電源禍合、電源冗余管理等總線供電技術實現總線供電的以太網集線器。另外,可以在以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范,將以太網的曼徹斯特信號調制到直流或低頻交流上,在現場再將這兩種信號分離出來;但必須注意,修改后的物理層協議應與傳統的以太網兼容。
3.5互操作性問題
互操作性是指連接到同一網絡上不同廠家的設備之間通過統一的應用層協議進行通信與互用、互換。它是開放系統的主要特征。它為用戶提供了一個更大的市場選擇機會,而且決定了這一通信技術能否被廣大自動化設備制造商、集成商所接受,是否可進行大面積推廣和應用。
以太網(xEEE802.3)只映射到150/0517層模型中的物理層和數據鏈路層,TCP/IP只映射到網絡層和傳輸層,對較高的會話層、表示層、應用層沒有作技術規定。而RFC組織文件中的應用層協議,如文件傳送協議也僅僅制訂了應用程序該如何操作,以太網設備生產廠家還必須根據這些文件定制專用的應用程序。
要解決基于以太網的工業設備之間的互操作問題,行之有效的方法是在以太網+TCP(uDP)月P協議的基礎上,制定統一的并適用于工業現場控制的應用層技術規范;同時參考IEC的有關標準,在應用層上增加用戶層,將各種工業控制的功能塊進行標準化,便于實現不同制造商設備的混合組態與互相調用。
3.6網絡的可維護性和可恢復性
網絡的可維護性是高可用性系統的焦點。通過對系統和網絡的在線管理,可及時發現情況,并使故障及時得到處理。
為了提高網絡的可維護性,我們可通過提高可靠性設計來提高現場設備的可靠性,也可采用環型冗余結構以太網絡結構;另外,還可采用智能化的現場設備,對現場設備進行在線監視、診斷、維護管理。
可恢復性是指以太網系統中的任一設備或網段發生故障而不能正常工作時,系統能依靠預先設計的自恢復程序將斷開的網絡重新鏈接起來,并隔離相應的故障段;同時系統能自動定位故障,以使故障能得到及時修復。
3.7本質安全與安全防爆技術問題
在工廠現場,尤其是化工、石油、煤礦等工業現場,不可避免地存在易燃、易爆、有毒等危險因素。對應用于這些工業設備的裝置,必須采取一定的防爆與隔爆措施來保證安全。
對本質安全可采用抑制點火能量作為手段,且結構簡單、體積小、質量輕、造價低、適用面廣,并可在帶電情況下進行維護和更換。實現本質安全的關鍵技術是低功耗技術和本質安全防爆技術。本質安全包括工業以太網交換機、轉輸媒體以及基于以太網的變送器和執行器等。而目前以太網收發器的本身功耗都較大 一般為60一70mA(SV),因此,基于工業以太網的低功耗現場設備和交換機的設計比較困難。
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?？蓪σ蕴W現場設備采取增安、氣密、澆注等隔爆措施,使設備本身的故障產生的電火花能量不會外泄,以保證系統使用的安全性。
3.8遠距離傳輸技術問題
通用以太網的傳輸速度一般為10Mb/s,looMh/,,l xx〕Mb/s,信號在媒介中傳輸時總存在著衰減和失真。然而,在工業生產現場,由于生產裝置一般都比較復雜,各種測量和控制儀表位置分散,彼此距離也較遠,采用傳統的方法設計以太網,使用roBase一T雙絞線就顯得不夠;而使用roBase一或10Base一5同軸電纜則不能進行全雙工通信,而且布線成本高。隨著通信技術的發展,光纜的成本已經越來越低。鑒于此,在設計一個工業以太網時,我們可以在中控室和各控制域之間采用光纖連成主干雙冗余環網,各控制域的交換機到現場設備采用屏蔽雙絞線或屏蔽同軸電纜,把交換機安裝到靠近現場設備的位置。這樣不僅解決了骨干網的遠距離通信問題,而且由于光纖具有良好的電磁兼容性,大大提高了主干網的抗干擾能力和可靠性,也為將來網絡的擴展、速度的提升留下足夠的技術空間。這種方案在作者參與設計的金雨高速公路隧道監控工程中已得到應用。
4工業以太網的發展前景
隨著以太網通信速度的提高,全雙工通信、交換技術的發展,IEC正著手起草實時以太網標準,旨在推動以太網在過程控制中的應用。種趨勢,在國家 863 計劃的支持下,以浙江大學、浙大中控為主,聯合中科院沈陽自動化研究所、清華大學等,開展了EPA的技術研究,重點研究以太網技術應用于工業現場設備間通信的關鍵技術。該項研究在實時通信、總線供電、遠距離傳輸、網絡安全、可靠性等方面已取得了一定的成果;并在以上成果的基礎上起草了E以國家標準《用于工業測量與控制系統的EPA系統結構和通信標準》,通過了IEC/TC124組織的評審,得到IEC/Sc65(國際電工理事)95.8%國家的贊成。
為了促進Ethernet在工業領域的應用,國際上成立了工業Ethernet協會和IAONA,并與美國ARC研究中心和GartnerGroup等機構合作,開展了工業Ethemet關鍵技術的研究。美國電氣電子工程師協會(IEEE)也在研究現場裝置與Ethemet通信的標準,該標準可讓網絡直接看到對象。
據美國權威機構ARC報告,今后以太網不僅繼續在商業計算機網絡通信市場和工業控制系統的上層網絡市場占壟斷地位,而且也必然領導未來現場總線的發展,Ethoet和TcP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協議。另據美國VDC調查報告,Ethemet在工業控制領域中的應用將越來越廣泛,市場占有率的增長也越來越快 將從2儀舊年的11%增加到2005年23%。雖然目前以太網在過程工業控制中的應用還存在著許多問題,但隨著以太網通信技術的發展與完善,這些問題肯定將得到解決,應用也會越來越廣泛。
作者已經將工業以太網技術應用到金雨高速公路隧道機電工程中。實踐證明,在不遠的將來,工業以太網技術將直接應用于工業控制,并將在工業現場控制系統中起到非常重要的作用。