工业以太网正在成为一个开放的标准

1 引言 一般人们将企业的网络划分为四层（如图1所示） :管理信息层（ERP网络）、实时信息层（SCADA/DCS实时/历史数据网络）、过程控制层（PLC/DCS网络）和现场层（Sensor/Actuator网络）。广义的系统集成概念或者叫垂直集成，包括了企业各层的完全网络化,这意味着,所有必要的管理信息和设备信息，这些过去只在CEO的电脑上才能看到的信息，在任何一个制造岛和任何一台设备上都可以得到，这就允许企业的决策可以快速、准确地在按企业业务流程中应该进行决策的地方—现场一一制定。 图1 企业网络的层次 今天各种标准化软件的使用意味着在一个企业内部可以访问和得到各种信息。开放性主要是通过各种应用之间数据接口的标准化实现的。以太网作为一个标准和TCP/IP或UDP/IP协议，允许通信没有介质中断地跨越所有的层次。在这样的网络中，关于数据传输、存储和处理的全局标准化解决方案可以很方便的得到实现。 近年来，大的工业项目中以太网被广泛采用并将网络连接一直延伸到现场层。在制造岛或标准用户界面上都提供了对所有信息的快速访问。这种连续实现的解决方案带来了所需要的更具动力的企业流程，并大大提高了生产力。 2 标准化是降低成本的钥匙 在控制层和实时信息层的通过数据网络连接，可以将设备或工厂划分成多个功能单元，基于这些功能单元进行开发和制造。这种模块化的布局可以缩短测试过程，加快系统的实现，并允许重复使用这些单元乃至整个工程。以太网作为标准解决方案还降低了接口数量。另外，在不同总线和网络之间的互联要求额外的投资和大量的专有技术，而通过采用以太网和标准化的协议可以消除对这一点的要求。 采用这种标准化解决方案的项目的前期准备时间被大大缩短了。这对于工厂投资者来说不仅带来了资本的快速产出，而且大大节约了工程实现成本。对一个集成系统来讲，系统集成商采用不同的接口将不同制造商的设备集成在一起。但是只有不依赖于制造商而采用标准化接口的设备才能适应这种需要，并提供更好的解决方案。因此，标准化是降低成本的钥匙。 3 高可用性和网络安全性 自动化系统可以大概分为三个部分：现场设备、控制职能和网络。网络，这块今天仍然是属于控制工程师的领地，是自动化系统的骨干。对网络的要求来源于自动化的过程对象和生产设备本身。因此，在过程控制级对网络的特殊要求包括实时性、高可用性、发生故障时的快速自动重新组态、数据传输的安全性、冗余和以及对EMC、温度和抗震性能的环境要求。 以太网标准本身允许在总线上的数据包冲突，因为它采用的是CDMA/CD的介质访问机制。但是随着以太网技术的发展，人们可以通过采用全双工交换机消除这种数据包冲突，实现以太网的实时性。交换机通过将接收到的数据在发送之前存储在内部缓冲区内非常短的时间解决了这个问题。现在人们正在研究如何将以太网标准扩展到满足“硬”实时的要求。这一实时性要求可通过将确定的传输时间和时间同步机制相结合加以实现。目前IEEE WG 1588工作组正在开发一个算法以实现小于一个微秒的同步精度。按照赫斯曼电子公司基于IEEE1588在他们的交换机上的测试结果，同步的标准时间偏差累计小于100ns。它已经完全可以满足“硬”实时的要求。 网络的长期可用性对于生产制造来讲是至关重要的。除了采用良好设计和配置的工业级设备以外，实现这一点的关键还包括网络结构的冗余。采用封闭环形结构的网络和冗余管理可以保证在发生故障时的网络快速自动重新组态。这种快速自动重新组态不同于采用生成树/快速生成树算法的办公室网络冗余。对于分布式环形结构的重新组态时间要小于500ms才可满足制造过程的要求。而生成树算法超过30s的重新组态时间对于过程控制来讲将会带来一场灾难。 此外，对于办公室网络来讲在重负载情况下短暂地丢失个别数据包是没有什么问题的。办公室网络设备，尤其是那种低价的设备，是按成本进行优化的，而不是按数据传输的安全性进行的优化。反之，对于实时自动化系统，选择的网络设备必须满足数据包的立即传送而且不丢包，对于网络重新组态过程的要求也是如此。 随着与企业网络的集成，以太网这个词也鼓励着IT部门介入到控制过程的网络结构和设备的选择。然而在这一点上，过程自动化工程师更能理解他们所需要的特殊要求，因此自动化网络的规划和设计更应该由自动化工程师来实现，而不是让位给IT部门。 4 以太网将取代现场总线 尽管以太网的发展令人鼓舞，而以太网在工业现场的应用仍然处在初级阶段。进一步研究可以发现，这对于其他数据通信手段，包括现场总线，也是一样的。现有的常用现场总线解决方案还将继续存在一段时间，现场总线专家和以太网专家也将同时并存。但是，采用以太网实现的垂直集成将强化对现场设备数据接口的要求，进而促进除了测量值、控制输出和运行状态之外的一些扩展功能的实现，乃至可以通过网络实现对设备的远程维护。 以太网正逐渐渗透到生产领域的过程控制和现场层，这一发展趋势是不可逆转的。而且可以看到这个趋势有一个明显的自我激励的动力，它基于网络实现现场设备的集成并且逐步取代现场总线—这对于用户产生了很大的好处。目前，只有二进制传感器和执行器的集成还采用专用的现场总线，如ASI和DeviceNet，它们再通过接口模块或主设备集成到网络或本地控制单元。随着智能传感器和执行器的系统效率的提高，在不远的将来它们也将通过以太网集成到控制系统中。这样做的好处在于可以实现对所有层的无介质中断的访问。这就是为什么TCP/IP已经成为大多数制造商工业网络解决方案的协议层标准。 5 开放的应用层标准 应用层协议的标准化对开放的解决方案是一个非常关键的先决条件。这将允许更多来自不同生产商的设备、控制器和软件相互无缝集成。应用层的统一标准化将最终实现工业网络各层的全面集成。 今天，已经可以通过采用来自于不同生产商的特定系统解决方案实现垂直集成。以太网和TCP/IP或UDP/IP协议不仅广泛用于企业网络的集成，而且一直延伸到工业生产的控制系统的互联，甚至已经有智能设备可以通过以太网直接实现集成。但是在工业以太网的应用层存在各种不同的标准，包括EtherNet/IP和CIP sync、Ethernet Powerlink、 EtherCAT、JetSync、Modbus/TCP、PROFInet、SERCOS-III、HSE、Safeethernet等等。这些技术虽然都是基于以太网的平台，即在物理层和数据链路层支持同样的技术，可以互联但不能互通。而从用户的利益出发，需要一个统一的开放的应用层标准。 任何从事现场设备数据通信开发的人都会记得在国际标准化时不同现场总线之间的“争执”。最终的妥协表明现场总线标准化几乎包括了所有的不同方案。对于工业以太网来讲存在同样的问题，基于一种技术和一个通用的全球标准加速工业以太网技术发展的机会已经堵死了。 6 结语 综上所述，工业以太网正位于现场总线、统一的开放标准和办公网络的交叉火力点。通过在大项目上快速而又广泛地实现工业以太网，用户已经实施和建设全面集成的过程解决方案。工业以太网解决方案的实现已经为工业应用树立了提高生产率、更具动力的企业过程、投资的快速回报以及优化和通用的典范。而用户也越来越注意到他们的能力和利益是在制造商和系统集成商之上的，并要求和建立网络和协议的开放标准。 作者工作单位：浙江巨化工程有限公司仪表厂 邮编：324004 电子邮件: ddggff1108@163.com