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Ethernet在工业自动化中的应用

供稿:中国工控网 2016/3/30 11:38:08

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  • 关键词: 现场总线 Ethernet
  • 摘要:Ethernet进军工业自动化的主要动力是:①成本低;②速度的提高,因普通遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。Ethernet是世界上应用最多的网络,超过93%的网络节点为Ethernet。

现场总线标准化发展进程

  8种现场总线经过14年的纷争,最后IEC的现场总线标准化组织经投票,通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准,即:FF H1,Control Net,Profibus,INTERBUS,P-Net,World FIP,Swift Net,FF之高速Ethernet即HSE。其中,P-Net和Swift Net是专用总线;Control Net,PROFIBUS,Wold FIP和INTERBUS是PLC发展而来的;而FF和HSE是从传统DCS发展而来的。这8种现场总线采用的通信协议完全不同,因此,要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。

  由于各生产厂商要尽可能地控制市场份额,保护各自过去的投资利益,经过14年的长期急诊而意见难以统一,于是各自退回原地,开展了一场保卫各自“领地”的战斗。目前,这8种现场总线都在各自修改其应用层协议,支持IEC61784规范,争取通过高层协议以达到相互兼容之目的。如2002年完成工作,将使IEC61158成为一个基本统一的、由多部分组成的标准。

  众所周知,最早的气动单元组合仪表采用0.2~1.0N/cm2统一标准化气动信号,电动单组合仪表采用4~20mA标准化信号互联,任何厂家的产品均可以实现互联,这两代仪表系统都得到健康发展。面现场总线由于来自不同产品和生产厂家,经14年争论也无法达成统一,多标准等于无标准。市场迫切需要统一标准的现场总线控制系统。只有通过制定新标准才能实现,为了加快新一代系统的,人们开始寻求新的出路。

  几种可能的出路是:

  出路一 各种现场总线统一到1~2种。IEC61158的产生本身就说明这种可能性很小。

  出路二 开发所有现场总线通用的接口,成本较高且难度较大。

  出路三 各国不理睬IEC61158,采用自主知识产权的协议。主不符合经济全球化发展趋势。

  出路四 采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议,并使其在工业体育场成熟应用,易于被广大国家用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎。


Ethernet在工业自动化中应用的若干问题

  Ethernet进军工业自动化的主要动力是:①成本低;②速度的提高,因普通遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。Ethernet是世界上应用最多的网络,超过93%的网络节点为Ethernet。

  Ethernet用于工业自动化有以下4个问题需要解决。


  1. 实时性问题


  实时性就是信号传输足够快加上确定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式,网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。Ethernet发展的现实是:


   交换式100M Ethernet已广泛应用,能提供足够的带宽和减少冲突。

   全双工网络和具优先权的传送机制得保证确定性。

   典型的工业应用,峰值负载为10M Ethernet的5%,在100M Ethernet网络负载为0.5%,而Ethernet只有当负载达40%以上时才会有明显的延迟现象。

 

   在100M Ethernet网中,发送一个包延时超过2ms的状况,5年也不会发生一次。美国电力研究院的实验结果可保证4ms以内。


  2. Ethernet如何满足现场环境问题


  Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的,不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中,Ethernet抗干扰性能较差。若用于危险场合,它不具备本安特性,也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。

  随着网络技术的发展,上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域,在极端条件下网络也能稳定地工作的问题,美国Synergetic微系统公司和德国Hirschman公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品,安装在标准DIN导轨上,并有冗余电源供电,接插件采用牢固的DB-9结构。

  美国NET silicon公司研制的工业Ethernet通信接口芯片,每片价格已降至10~15美元,与各种现场总线芯片相比,具有很大的价格优势。

  现在的工业Ethernet现场总线采用一种称为连接装置(linking device)类似带开关的集线器结构,很好地解决了Ethernet的时间确定性问题。目前,ProfibusDevicenet,ControlNet和LonWorks等都打算使用Ethernet。这些公司都在研究通过隧道(Turnel)的简单传输机构,使用Ethernet传送报文。


  3. 在工业控制中使用Ethernet如何获得技术支持。


  由于采用与商用Ethernet相同的技术,因此具有最广大的支持网络和资源。

  为了促进Ethernet在工业领域的应用国际上成立了工业Ethernet协会(www.lndustrial.Ethernet.com)和IAONA(www.iaona.com),并与美国ARC Advisory Group AMR Resesch研究中心和Gartnet Gronp、AMR Reseach研究中心和Gartner Group等机构合作,开展工业Ethernet关键技术的研究。美国电气工程师协会(IEEE)正着手制定现场装置与Ethernet通信的新标准该标准。该标准让网络直接看到对象(object)。这些工作为Ethernet进入工业自动化的现场级打下了基础。

  为适应市场趋势全球主要自动化厂商和组织加强了工业Ethernet实现。

   法国施奈德公司:4年前推出透明工厂战略,使其成为工业Ethernet应用的坚决倡导者。ModbusTCP/IP(1998)是目前工业Ethernet事实了标准,并促进Ethernet在传感器和设备级的应用。

   德国门子公司:1998年发布工业Ethernet白皮书,并于2001年发布其工业Ethernet的规范,称为PROFINET。

   美国洛威尔自动化公司:2000年发布工业Ethernet规范,称为Ethernet/IP。

   基金会现场总线FF:2000年发布工业Ethernet规范,称为HSE。

 


  4. Ethernet与网络安全问题


   在工厂运用互联网技术并不意味着工厂网络一定要连接到互联网。采用网络的工厂,连入互联网均使用TCP/IP。这样就面临互联网类似的安全问题。

   安全隐患:病毒、工业间谍、黑客、软件BUG、恐怖主义。

   黑客的动机:金钱、信息、恐怖主义、破坏、政治等,工业现场相对较少吸引力。同时,黑客行为是高技术的,有费时费力费钱的代价。

   物理连接管理提高安全性:PLC操作系统是专有的,不易受到黑客、病毒的侵略。

   RAS、VPN提供远程访问:硬件身份识别。

   可提供多种安全机制:用户密码、数据加密、防火墙等。

  随着生物信息技术的发展,指纹、声音等生物信息将提高网络的安全性。


基于TCP/IP的Ethernet在工业自动化中的应用


  Ethernet仅仅只有物理层和链路层规范,它通常与TCP/IP等平台无关的协议结合应用。我们所指的Ethernet实际上是指基于TCP/IP协议的Ethernet,即Ethernet/IP。过去,以生产PLC为主的公司都使用Ethernet完成信息级通信,其中,西门了公司的SIMATICNET将Ethernet应用到车间级,并有向下层通信的趋势。随着FF HSE的开发成功,Ethernet将广泛应用于工业控制系统的监控网络。特别令人感兴趣的是,国际上有些公司已推出了完全以工业Ethernet为基础的控制系统,其工厂级、监控级和现场级均采用基于TCP/P通信协议的工业Ethernet,配备Wed server功能,而且这种趋势愈来愈明显。人们预测,像当年工业PC进入工业自动化领域一样,Ethernet/IP将会十分迅速地进入工业控制的各级网络。

  基于TCP/IP的Ethernet构成的工厂网络的最大优点是将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成了畅通的透明网络,并与WEB功能相结合,与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体,这就是施奈德的透明工厂概念。

所谓透明工厂,即基于开放的Internet和Ethernet,实现:

   开放的商业化技术的应用OPC servers,Ethernet,Internet,IEC1131;

   基于IT/Internet技术的产品开发 嵌入式网页服务器和浏览器提供对PLC数据的访问时间和可视化;

   采用开放的网络策略 TCP/IP,物理层Ethernet;

   创建现有的PLC作为“内容提供商”嵌入式服务器插件和OPC server。


Ethernet及其应用层协议――Ethernet/IP


  按照互联网参考的7层协议,Ethernet只提供了物理层和链路层协议,且通常与TCP/IP等协议结合应用。由于应用层协议不同,因此难以保证其互操作性。

  传输控制协议/网际协议(TCP/IP)是Internet的网络层和传输层协议。在商业领域,它的互操作性由Internet的应用层的文件传输(FTP)、终端访真(Telnet)、电子邮件(SMTP)和他公共协议保证;在自动化领域,尚无标准的应用层,各自动化厂商都有自己的应用层,如Mod bus Ethernet TCP/IP就是一种应用层协议。

 

  为了在不同的网络设备中实现互操作,公共应用层是。当前,多个组织正在为工业自动领域的TCP/IP定义公共应用层协议。特别是将Ethernet用于现场设备级,是当前的热点课题。例如,面向制造自动化的Ethernet,产生了一种基于控制和信息的协议(CIP)的新型Ethernet――工业实时Ethernet。这是为传输控制协议/用户数据协议/协议(TCP/UDP/IP)定义的、基于主机/客户机的控制和信息协议。Ethernet的CIP称为Ethernet/IP。

  CIP是专为工业控制设计的应用层协议,提供了访问数据和控制设备操作的服务集。它采用用户数据协议/网际协议(UDP/IP)和传输控制协议/网际协议(TCP/IP)作为Ethernet网上的控制和信息协议,允许发送显式(信息)和隐式(控制)报文。其中,隐式报文是对时间有苛刻要求的I/O信息(事件触发、控制器互锁等),通过UDP/IP完成的隐式报文中数据区包含实时I/O数据(CIP的控制部分);显式报文是无时间苛刻要求的点对点信息,可由TCP/IP完成(CIP的信息部分)。CIP向终端用户提供了自动化系统必不可少的控制、组态、数据采集服务功能。为面向自动化领域提供了Ethernet网上的工业自动化设备的互操作性和可换性。

  最近,著名的工业通信技术国际组织――ODVA和PI在美国德州休斯敦新闻发布会上发表公开信,声称他们迄今为止相互竞争的现场总线――以太网解决议案要在OPC建议的DX协议下彼此协调以推进标准化工作。特别是就定义工业以太网专题">工业以太网的功能和互操作性达成共识,并将以下方面作为工作重点:IP地址即插即用互操作的通用策略、装置描述和恢复机制;网络诊断议案;指导使用WEB技术;一致性测试需求;产生一种应用接口,以消除协议间的差异。

  OPC DX是一个开放的解决议案,允许当今市场上存在的标准:FF的HSE/H1、ODVA的CIP及PI的PROFINET相互并存。OPC DX标准提供了可互操作的数据交换和在以太网上报务器对服务器的通信。它是已存在的OPC数据访问规范的扩充,它还扩充了运行时间内的数据共享交换及实时协议应用的独立性。利用扩充的OPC接口,可以协调和互联不同现场总线组织的不同协议。OPC DX规范和源码在2001年12月份公布,来自多个生产厂商的原型在2002年4月出现。


Ethernet作为为总线的前景、困难以及对策


  1. Ethernet作为现场总线的前景


  自动化系统和管理管理的进一步融合,WEB技术和无线等应用促使自动网络采用通用的Ethernet。

  主流自动化厂商对Ethernet工业应用的积极态度将起到强大的推动作用,同时也缓解总线之争的负作用。

  Ethernet本身的迅速发展,在性能人价格上还有很大的改善空间。

 

  Ethernet,TCP/IP本身未解决互操作性问题,但为之铺平了道路。

  在单元和模板以上,Ethernet已具有优势。在传感器级别,性价比还不具竞争力,有大小用之嫌。

在仪表等领域,Ethernet要满足本安型应用有一定难度,也很难满足对仪表供电等要求。市场集中度进一步提高,Ethernet有显著增长。主要厂商目前的动态表明,对Ethernet的预期仍然保守。


  2. 促进工业Ethernet应用对中国产业界的影响及建议


  由于国对总线之争未付出大的代价,同时也没有一种总线在中国占压倒性优势,跟踪并采用国际光先进和技术可以发挥后发优势,迅速缩短与发达国家的差距。

  采用开放、免费并且知识产权限制的技术Ethernet和TCP/IP,可以节约资金,减少技术的领带性,并有得自主知识产权技术的开发。

  减少专有网络的影响,有利于形成公平的市场竞争环境有利于中国与国际接轨,降低项目投资费用。采用Ethernet和TCP/IP等开放的技术,可以促进WEB自动化等更先进技术的和模式在中国的应用有得制造业中间件软件市场的形成,为中国参与下一波国际技术竞争创造良好的条件。

 


审核编辑(王雪)
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