工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線

1、·6·工業(yè)儀表與自動化裝置2005年第1期工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線沈航,徐紅泉,蔡慧,吳靖233(1.浙江中控技術股份有限公司,浙江杭州310053;2.浙江衢洲電力局調(diào)度所;3.浙江大學電氣工程學院,浙江杭州310027)摘要:該文從以太網(wǎng)技術進入工控領域的必要性和可能性入手,討論了以太網(wǎng)技術和現(xiàn)場總線技術結合的4種方式,并介紹了目前工業(yè)以太網(wǎng)技術的最新發(fā)展情況。關鍵詞:現(xiàn)場總線;高速以太網(wǎng);工業(yè)以太網(wǎng)中圖分類號:TP336文獻標識碼:A文章編號:1000-0682(2005)01-0006-04IndustrialEthernetandfieldbusSHENHang1,X

2、UHong-quan2,CAIHui3,WUJing3(ZhejiangSUPCONtechnologyCo.,Ltd.,ZhejiangHangzhou310053,China;2.TheDispachingStationofQuzhouElectricPowerBureau;3.ElectricalEngineeringCollegeofZhejiangUniversity,ZhejiangHanzhou310027,China)Abstract:ThispaperintroducesthenecessityandlikelihoodofEthernetthatenterintothefi

3、eldofindus-trialautomation,andillustrates4IndustrialEthernetsolutions.ThecurrentstatusofIndustrialEthernetisdis-cussed.Keywords:fieldbus;highspeedEthernet;industrialEthernet由于眾所周知的原因,現(xiàn)場總線的標準化歷經(jīng)十幾年才最終告一段落,于1999年底通過了8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標準。8種類型分別為:IEC技術報告(即FF的H1);Control.Net;Profibus;P-Net;FFHSE;Swift

4、Net;World-FIP;Interbus。后來又通過了IEC620263種總線標準,分別是SDS(SmartDistributedSystem),ASI(Actua-torSensorInterface)與DeviceNet。此外,ISO還有CAN總線標準ISO11898(通信速率1Mbps)和ISO11519(通信速率125kbps)。但是人們期盼的一種現(xiàn)場總線標準一統(tǒng)天下的局面并沒有發(fā)生,最終的結果依然是群雄混戰(zhàn)標準不一。對用戶來說,多種現(xiàn)場總線標準并立并不是一件好事。面對如此之多的標準(國際標準13種,還有歐洲標準和各國國家標準),用戶實在是難以選擇出合適的總線?，F(xiàn)場總線標準的不統(tǒng)一

5、制約了現(xiàn)場總線發(fā)展。多種總線標準并存使得總線難以沿開放的方向發(fā)展。當現(xiàn)場總線的發(fā)展遇到阻礙時,以太網(wǎng)技術卻迅猛發(fā)展。從信息集成的觀點來看,現(xiàn)場總線的底收稿日期:2003-12-18作者簡介:沈航(1980-),男,浙江杭州人,工程師,主要從事工業(yè)自動化控制工作。層信息必然要和上層的通用局域網(wǎng)連接,將底層信息集成到車間、公司線的數(shù)據(jù)庫中,甚至通過WEB方式瀏覽和交互控制。因此,基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場總線得到了蓬勃的發(fā)展。1引入以太網(wǎng)技術是現(xiàn)場總線技術發(fā)展的必然趨勢1.1工業(yè)控制領域需要以太網(wǎng)技術一般來說,現(xiàn)場總線的通信協(xié)議比較簡單,通信速率比較低。如基金會總線FF的H1和Profibus-PA的傳

6、輸速率只有31.25kbps,FF高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps,這在有些場合下無法滿足實時控制的要求。因為隨著儀器儀表智能化的提高,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也必將趨于復雜,未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)絕不可能僅僅是幾個字節(jié),有人估計,在未來4年里數(shù)據(jù)量還要再增加1030倍。所以網(wǎng)絡傳輸?shù)母咚傩栽诠I(yè)控制中越來越重要。而以太網(wǎng)有很高的數(shù)據(jù)傳輸速度,10M/100Mbps的以太網(wǎng)技術已經(jīng)十分完善,千兆以太網(wǎng)技術也正在不斷成熟之中。以太網(wǎng)已經(jīng)在局域網(wǎng)和Internet上取得成功,技術較為成熟,而工業(yè)底層網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線協(xié)議則數(shù)目眾多,不同協(xié)議的兼容問題一直無法有效地解決。底層網(wǎng)絡引入以太網(wǎng)不僅使現(xiàn)場層、控制

7、層和管理2005年第1期工業(yè)儀表與自動化裝置·7·層面方便集成,更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本。所以以太網(wǎng)向控制系統(tǒng)的底層延伸是順理成章的。除了在技術上有明顯的優(yōu)勢之外,應用以太網(wǎng)技術可以降低設備成本和系統(tǒng)升級成本,現(xiàn)場總線的成本遠遠無法與以太網(wǎng)相比。1.2以太網(wǎng)技術進入工控領域的困難和解決方案以前以太網(wǎng)被認為是不能應用于工業(yè)控制領域的,這主要是因為以太網(wǎng)是為辦公自動化設計的,并沒有考慮到工業(yè)應用的要求。首先,以太網(wǎng)的媒體訪問方式CSDA/CD不能保證網(wǎng)絡傳輸?shù)拇_定性,也就是說以太網(wǎng)并不具有實時性,在負荷很重時網(wǎng)絡的傳輸效率很低,商業(yè)以太網(wǎng)一般的傳輸時延為230

8、ms,這一速度在某些工業(yè)場合是不可接受的。其次,以太網(wǎng)所用的接插件、集線器、交換機和傳輸介質(zhì)等設備不能滿足工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。在工廠環(huán)境中,以太網(wǎng)抗干擾性能較差,且不具有本質(zhì)安全性能,不能應用于危險場合。再次,以太網(wǎng)還不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展,上述問題正在迅速得到解決。在過去的幾年里,以太網(wǎng)標準有了許多進步,特別是在確定性、速度和信息優(yōu)先級方面。首先以太網(wǎng)的通信速率一再提高,同樣的通信量,通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕,而減輕網(wǎng)絡負荷則意味著提高了確定性,有人作過試驗,在網(wǎng)絡負荷不超過36%的情況下,在以太網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的可能性極小。其次交換技術的

9、快速發(fā)展已經(jīng)消除了以太網(wǎng)應用于控制領域的障礙。交換式以太網(wǎng)技術使得多個網(wǎng)上設備之間同時進行通信時不會有沖突發(fā)生。其做法是把網(wǎng)絡用交換器分割成互不相連的幾個網(wǎng)段,從而大大降低沖突的可能性。其系統(tǒng)結構如圖1所示。另外,上述的其他問題也基本上得到了解決。這些問題的解決為以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域鋪平了道路,使得近年來自動化系統(tǒng)中應用以太網(wǎng)變得十分熱門。就像現(xiàn)場總線剛剛興起的時候,應用以太網(wǎng)的原動力同樣來自工業(yè)領域。將以太網(wǎng)技術應用于自動化系統(tǒng)有許多不同的方法,已經(jīng)有不少的總線組織提出將以太網(wǎng)技術與現(xiàn)場總線技術相結合。2當前工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展2.1以太網(wǎng)技術和現(xiàn)場總線技術的結合方式目前許多廠商已經(jīng)開始將現(xiàn)場

10、總線協(xié)議與Eth-ernetTCP/IP協(xié)議進行整合。包括:ControlNet、De-viceNet和Ethernet/IP聯(lián)合推出CIP(ControlandInfor-mationProtocol);FoundationFieldbus推出HSE(HighSpeedEthernet);Profibus推出ProfiNet;還有一些現(xiàn)場總線本身就是與Ethernet功能接近的LAN(局域網(wǎng)),它們不經(jīng)過Ethernet而直接與TCP/IP相結合,例如WorldFIP推出的WorldFIPTCP/IP和Modbus推出的ModbusTCP/IP。以上各方案采用的技術可以分為4類。包裹法典型代

11、表是HSE、CIP和ModbusTCP/IP。例如HSE協(xié)議采用一種可稱之為“隧道”的方法與TCP/IP進行整合。傳輸層上的協(xié)議(TCP/UDP)對低層的現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)進行封裝,將現(xiàn)場總線報文作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入TCP/UDP數(shù)據(jù)幀,然后再在以太網(wǎng)上傳輸。再如CIP的Ethernet/IP也是將Contro1Net、DeviceNet和Ethernet/IP報文加上的報文標志頭作為“用戶數(shù)據(jù)”進行在以太網(wǎng)上傳送,結構如圖2所示。這種方法使得設備制造商無需開發(fā)新的協(xié)議(可利用現(xiàn)有已知的協(xié)議),能夠快速實現(xiàn),有利于向下兼容,不同現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)可以同時傳輸。缺點是報文的傳送效率比較低,更適合傳送長

12、數(shù)據(jù)。由于Ethernet的最短報文字節(jié)數(shù)比較多,現(xiàn)場總線的報文則比較短,因此常常需要填入無效內(nèi)容,降低報文效率。1圖2應用CIP的Ethernet/IP的結構·8·反向包裹法工業(yè)儀表與自動化裝置2005年第1期術主要應用于高級過程控制、遠程I/O和高速工廠自動化。HSE在1998年3月被現(xiàn)場總線基金會認可。1999年9月在通過實驗室測試后,HSE技術說明書被分發(fā)給現(xiàn)場總線基金會成員。在2000年3月,現(xiàn)場總線基金會頒布了HSE最終技術說明書。3.2高速以太網(wǎng)(HSE)技術特點HSE支持基金會現(xiàn)場總線FF協(xié)議的各個方面,比如功能塊(AI、AO和PID等)和設備描述等,能把F

13、FH1集成到工廠級企業(yè)級的信息控制網(wǎng)絡,而且它支持標準以太網(wǎng)協(xié)議,如TCP/IP、SNTP、SNMP等。HSE結構專為多重H1現(xiàn)場總線信息在主干網(wǎng)上高速高效傳輸而設計,保證控制網(wǎng)絡上各層數(shù)據(jù)表達的一致性。HSE使用以太網(wǎng)現(xiàn)成的交換器、路由器、網(wǎng)線等設備,連接成各種拓撲和規(guī)模的網(wǎng)絡。例如圖3所示的單主機系統(tǒng),主機通過以太網(wǎng)交換機直接與網(wǎng)關、兩個連接設備LD(LinkingDevice)和HSE總線網(wǎng)段相連并進行通信。LD設備可以掛接H1現(xiàn)場總線網(wǎng)段,而網(wǎng)關則負責HSE與其他外來總線(如Contro1Net、DeviceNet、Profibus等)設備和遠程I/O的連接。如InterBusTCP/

14、IP,它是將TCP/IP數(shù)據(jù)幀嵌入InterBus報文,由于InterBus報文短,TCP/IP數(shù)據(jù)幀被拆開傳送。這樣做的優(yōu)點是InterBus設備的運行不受影響,且正常運行時傳送的是現(xiàn)場總線短報文,信息傳輸效率大大提高。需要拆開傳送的長報文主要用于傳送程序和組態(tài)信息,這種報文出現(xiàn)的概率較低,對實時性的要求也低。但是這種方法要求在現(xiàn)場總線設備中嵌入TCP/IP協(xié)議棧,而且在系統(tǒng)組態(tài)時必須為連接上的現(xiàn)場設備配置IP地址參數(shù)。網(wǎng)關和代理服務器法這是傳統(tǒng)的跨協(xié)議轉換方法,在工控領域中的典型代表是ProfiNet。整合的方法是采用COM/DCOM(組件對象模型/分布式組件對象模型)機制,通過網(wǎng)關或代理

15、服務器進行Ethernet與現(xiàn)場總線的信息轉換。ProfiNet提供一個具有COM界面的組件對象集,組件對象獨立于設備內(nèi)部結構,代理服務器負責解釋任何下層總線設備的界面。這種封裝特性使得用戶只需要了解不同設備的界面,就可以在同一系統(tǒng)中選用不同廠家的設備進行集成。這種代理機制可以是Ethernet與任何類型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)相連,已經(jīng)在用的現(xiàn)場總線設備可以不受限制地用下去。但是不同現(xiàn)場總線同時使用時,系統(tǒng)組態(tài)很復雜,實時性受到一定影響。重建法就是拋棄已有現(xiàn)場總線,為Ethernet重新構建實時通訊系統(tǒng),從而建立以Ethernet為基礎的全新現(xiàn)場總線。典型代表是IDA(InterfaceforDist

16、ributedAutomation)。2.2IEC61158中以太網(wǎng)技術國際電工委員會的標準化組織并沒有對工業(yè)以太網(wǎng)標準化進行過集中處理。但是,仍然有幾種基于以太網(wǎng)和TCP/UDP/IP技術的現(xiàn)場總線進入了IEC61158標準,分別是:FFHSE;Ethernet/IP;ProfiNet;InterbusTCP/IP。除了重建法,2.1中所述的其它3種方法均被包括其中。圖3HSE/H1網(wǎng)絡結構連接器LD的使用是HSE技術的一大特點。LD融合了網(wǎng)橋和網(wǎng)關功能,用于連接H1現(xiàn)場總線各個網(wǎng)段,并提供對HSE主干網(wǎng)的接口,其速度為100Mbps。其網(wǎng)橋功能能夠使H1設備相互連接,而不用上層系統(tǒng)的干預。

17、連接在LD上的H1設備可以通過HSE主干網(wǎng)與連接在另一LD上的H1設備通信,而HSE主機可以與所有LD和設備通信。這項功能可以使關鍵數(shù)據(jù)提供給遠方的現(xiàn)場設備用于監(jiān)控及報表。LD的網(wǎng)關功能可以使HSE網(wǎng)絡與其他底層控制或信息網(wǎng)絡相連。LD不需要對H1子系統(tǒng)進行信息解釋。它的功能是集合H1現(xiàn)場總線網(wǎng)段的信,。3高速以太網(wǎng)(HSE)技術簡介3.1技術發(fā)展背景基金會現(xiàn)場總線FFH1已經(jīng)在工控領域得到了廣泛的應用,如溫度、液位、流量控制等?，F(xiàn)場總線基金會原來計劃要開發(fā)FFH2(1.0和2.5Mbps),但是隨著以太網(wǎng)進軍工控領域呼聲漸高,FF組織取消了,2005年第1期工業(yè)儀表與自動化裝置·9

18、·對其他網(wǎng)絡,監(jiān)控和控制參數(shù)可以簡單設定到標準FF功能塊或新的“靈活功能塊”。靈活功能塊(FFB)是HSE技術又一獨特之處。FFB用于先進過程離散控制,并集成遠程I/O設備和子網(wǎng),支持如獲得管理數(shù)據(jù)、批處理和I/O接口界面等功能。它包括多入多出模擬器、離散FFB和專用FFB。FFB的使用提高了控制功能下放的能力。HSELD用于通信點密集的地方,如閥門和執(zhí)行器等。它和現(xiàn)場設備組成在現(xiàn)場層的簡單系統(tǒng),擁有批處理和邏輯控制功能。從而在許多應用中,可以不需要上層控制器,降低設備成本和空間消耗。將控制功能集成在LD中可以使控制結構從控制室延伸到現(xiàn)場。把控制功能通過LD分散到現(xiàn)場還可以減少集中控

19、制中的錯誤和遺漏。所有或部分HSE網(wǎng)絡和設備可以通過冗余來達到容錯目的,有3種形式:非冗余、松散式冗余和緊湊式冗余。HSE網(wǎng)絡結構提供對用戶層透明的冗余信道。所有設備定期傳送網(wǎng)絡狀態(tài)診斷信息,并根據(jù)此信息建立網(wǎng)絡狀態(tài)表,獨立選擇傳送信道。HSE還支持本征安全。在危險的作業(yè)區(qū)域,通過光纖將以太網(wǎng)與其中的LD相連。利用LD的控制功能,可以減少現(xiàn)場I/O設備和控制器的數(shù)量?？梢哉J為HSE是一種具有控制功能的Internet,它將Internet的力量與一種高效的以太網(wǎng)結構結合起來。HSE是把控制與管理聯(lián)系起來的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡,是企業(yè)實施控制和管理功能的理想選擇。界面(HMI)。4.2以太網(wǎng)電源線(Et

20、hernetPowerline)以上提到的應用Ethernet和TCP/UDP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)均有一個假設前提:網(wǎng)絡的負載不是很重且采用快速以太網(wǎng)交換技術,在此假設下才能取得預期的運行性能。交換技術能夠消除沖突,但同時產(chǎn)生了時延,網(wǎng)絡負載嚴重時數(shù)據(jù)丟失是不可避免的。為此,有人提出了一種稱之為“EthernetPower-line”的解決方法,在標準以太網(wǎng)的協(xié)議頂端增加了一個主從式的通信協(xié)議,并對媒體存取做相應修改,TCP/IP協(xié)議只在傳送非循環(huán)數(shù)據(jù)的時候允許使用。這種方法能夠消除所有的沖突,在不使用交換機的情況下,它的循環(huán)時間很小(約400s),所以可以用于控制電機的同步。4.3OPC和OD

21、AS技術OPC(OLEforprocesscontrol)是現(xiàn)代工業(yè)控制軟件互操作標準,于1996年問世,是現(xiàn)場總線領域中發(fā)展最快的技術。OPC基金會建立了一套標準的OLE/COM接口協(xié)議,采用先進的客戶/服務器模型。其特點是把硬件供應商和軟件供應商分離開來,各自只對數(shù)據(jù)的格式負責,這樣就無需考慮現(xiàn)場總線最惱人的數(shù)據(jù)鏈路層中的問題了。它可以采用統(tǒng)一的方式存取不同硬件生產(chǎn)商的設備,實現(xiàn)“互操作”。它或許是現(xiàn)場總線最終走向統(tǒng)一的一條途徑。1998年,一些廠家成立了ODAA(OpenDataAc-quisitionAssociation),公布了ODAS(OpenDataAcqui-sitionSt

22、andard),它比OPC走得更遠。它有兩個關聯(lián)標準:一個是OPC,另一個是IVI(InterchangeableVir-tualInstruments)以及輔人輸出設備PCPI。它進一步在軟件和硬件方面實現(xiàn)真正的“互操作”,生命力比較強大。4.4IAONA技術IAONA組織的目標是用一種以太網(wǎng)解決方案處理所有的工控領域自動化問題。這種方法是否能夠?qū)崿F(xiàn),目前還不太確定。國際上的現(xiàn)場總線組織對此持有不同的態(tài)度,許多組織還處于觀望狀態(tài)。DEFIA(DeterministicEthernetforIndustrialAutomation)小組已經(jīng)提出一套擴展以太網(wǎng)功能具有實時性的協(xié)議。4其他工業(yè)以太

23、網(wǎng)技術的簡介如前所述,目前有4種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場總線協(xié)議進入了IEC61158標準。除此之外,隨著工控技術的快速發(fā)展,其他一些具有強大生命力的新協(xié)議發(fā)展迅速且以完全不同的方式進行新的開拓,如IDA、EthernetPowerline、OPC、ODAS、IAONA等。4.1IDA技術IDA是以Ethernet和UDP/IP為基礎重新構建的實時通訊系統(tǒng),是全新的現(xiàn)場總線。它提供了一種用于模塊化的結構(這種結構是基于對象的)和分布式可重用的自動方法來描述對象元素,無需標準化工程工具和設備功能。這基于以下3大技術支柱:一個基于對象的的軟件模型,用來映射可被共同使用的實時體系;一個與具體系統(tǒng)無關

24、的無縫連接標準,用于從現(xiàn)場I/O到管理系統(tǒng)的各種連接,并保證EthernetTCP/IP上信息集成的安全;采用5結束語在過去的十幾年中,人們經(jīng)過長期地爭論才得到目前的總線標準。現(xiàn)在進入了一個全新的階段,人們議論的重點已是工業(yè)以太網(wǎng),關心的是究竟哪一種工)2005年第1期工業(yè)儀表與自動化裝置·37·EndFunction在調(diào)試運行的時候應該注意,在編譯環(huán)境和EXE模式下效果會不同,在編譯模式下容易非法操作。還有在線程中,不能用DoEvents,可以多次調(diào)用StartThread來達到多線程,局部變量各自獨立。3.2實時數(shù)據(jù)采集與處理的實現(xiàn)選擇四零四科技公司所出品的PcommP

25、ro軟件中的通信用動態(tài)鏈接庫的DLL文件Pcomm.dll進行串口通信。首先要進行聲明,所聲明的函數(shù)包括通信端口的打開(sio-open)/關閉(sio-close)、傳輸參數(shù)設置(sio-ioct1)及硬件線路控制(sio-DTR)等。在VB環(huán)境下使用PcommPro函數(shù)庫先要引入函數(shù)聲明,讓程序知道函數(shù)所在的位置。此通信函數(shù)庫已經(jīng)預先準備了常用的模塊,只要引入到所創(chuàng)建的工程中即可。該程序用到的模塊是Pcomm.bas(常數(shù)定義及函數(shù)聲明模塊),當函數(shù)庫安裝后,這個模塊就存在于計算機中,將其復制到工程目錄中,在工程使用中加入模塊功能即可。部分重要的代碼如下:·打開COM1端口Pub

26、licSubCOMOpen()Callsio-open(1)Callsio-ioct1(1,B9600,BIT-8)EndSub·讀端口數(shù)據(jù)PublicFunctionCOMRead()AsBooleanDimTT&DimresultAsLongDimReceiveData(5)AsByteOnErrorResumeNextTT=GetTickCount()R0:result=sio-read(1,ReceiveData(0),1)(上接第9頁)到目前為止,有4類方法用于構建工業(yè)以太網(wǎng),最新的IEC61158包括了大部分可能的方法。幾乎所有的自動化設備制造商都有自己的工業(yè)以太

27、網(wǎng)解決方案,有些甚至是全新構造的新技術。為數(shù)眾多的工業(yè)以太網(wǎng)技術同樣給用戶的選擇造成了極大的困難。那么形勢會如何發(fā)展呢?筆者認為市場的優(yōu)勝劣汰規(guī)則將會最終選擇出最有前途的工業(yè)以太網(wǎng)技術,而且由于已有工業(yè)以太網(wǎng)技術進入了國際標準,競爭的程度已大大地降低。但是不管怎么說,引入以太網(wǎng)技術是現(xiàn)場總線技術發(fā)展的一個必然趨勢,R0Ifresult=0ThenIfGetTickCount()-TT<=1000ThenGoToEndifEngFunction·處理讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)運行方式輸出:db1H=ReceiveData(3)'高字節(jié)db1L=ReceiveData(4)'低字節(jié)ReadData=db1H256+db1L在程序設計時,要注意