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现场总线标准的现状和工业以太网技术

  
  摘要:分析和总结了当前存在的各种工业现场总线标准,指出了现场总线技术的发展方向;系统地阐明了应用工业以太网技术所面临的关键技术及相应的解决方案;指出了工业以太网技术的发展前景。
  关键词:现场总线标准工业以太网关键技术解决方案
  1现场总线标准的现状
  现场总线是安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动化装置之间的数字式串行多点通信的数据总线,是计算机技术、通信技术和控制技术发展的结晶。现场总线控制系统(FCs)是一种全数字化、全分散、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统川。由于采用了全数字化技术,Fcs极大地简化了传统控制系统繁杂的布线工作量,并使系统检测和控制单元的分布更加合理。与传统的分布式控制系统(DCS)相比,FCS具有可靠性高、可维护性好、成本低、实时性好,以及实现了管控一体化的结构体系等优点。
  现场总线技术需要处理自动化行业千变万化的现场仪表设备,需要实现不同厂家、不同种类产品的互连,现场总线技术标准化工作显得至关重要。为此,IEC(国际电工委员会)于1984年提出制订现场总线技术标准IECI158(即IEC6ll58),它的目标是制订面向整个工业自动化的现场总线标准。经过十几年的发展,各国的大公司都投人了大量人力、物力、财力,在市场上展开了激烈的竞争,产生了几十种现场总线标准。这些标准和协议有许多共同之处,又有各自的特色和技术细节,同时也代表了一些跨国大公司和大集团的商业利益。IECTC65于1999年12月通过了IEC6ll58国际技术标准,它包含了8种类型:
  类型1IEC技术报告(即FFHI);
  类型2ControlNet(美国Roekwell公司支持);
  类型3Profibus(德国Siemens公司支持);
  类型4P一Net(丹麦而eessnata公司支持);
  类型5FF一HSE(即原FFHZ,美国FisllerR0se-mount公司支持);
  类型6SwiftNet(美国波音公司支持);
  类型7worldFip(法国Alstom公司支持);
  类型8Interbus(德国PhoenixContraet公司支持)。
  再加上IEC/TC17B通过的3种现场总线国际标准—SDS、ASI与DevieeNet,以及15011898的CAN,现场总线标准共有12种之多。除此之外,一些国家还
  有其国家标准,如英国的ERA、挪威的FINT等。一些国际的大公司也推出自己的标准,如日本三菱的CC-Link、施耐德公司的Modbus等。
  从目前情况来看,现场总线技术的发展还存在诸多问题,最主要的是没有一个统一的国际标准;而且由于支持不同现场总线的集团间利益的冲突等原因,近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总线的通信协议有很大差异,要实现不同总线产品互连非常困难,这不但使FCS的开放性、分散性和可互现场总线标准的现状和工业以太网技术操作性等特点难以体现,且用户使用不便、工程造价提高,因此给FCS的推广和应用带来不利的影响。
  现场总线可能的出路,可采用已经通用的国际标准EthernetTCP/IP等协议,并使之符合工业现场的要求,从而易于被广大国家用户、集成商和制造商所接受。
  2工业以太网技术的现状
  所谓工业以太网,一般指技术上与商用以太网(即IEEE8o2.3)兼容。但在产品设计时,在媒质的选用,产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、电磁兼容性和本质安全方面能满足工业现场需要的网络。
  1983年,IEEEsoZ委员会推出的以美国施乐公司、数字设备公司、英特尔公司提交的DlxEthametvZ为基础,又叫做具有CSM刀CD(载波侦听多路访问/冲突检测)的网络,是一种介质访问控制技术闭。
  TCP/IP协议是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议,是以太网的协议族。以太网是TCP/IP使用最普遍的物理网络,实际上TCP/IP技术支持各种局域网络协议。
  由于如下几点原因,以太网技术正在逐步进入工业自动化领域。
  (l)近年来,自动化技术的发展使人们逐步认识到,单纯提高生产设备单机自动化水平,并不一定给整个企业带来好的效益;因此,企业给出的更高要求是将整个工厂作为系统实现其自动化及最佳经济效益。
  (2)工厂底层设备状态、信息集成、数字通信网络是信息系统的基础。为满足上层管理对底层设备信息的要求,底层设备状态及信息集成是实现工厂F灯CIMS的基础。
  (3)工业过程采集的数据量越来越多,其传输速率要求也越来越高;而FCS速度较低,支持的应用有限,不便于与英特网信息集成。
  (4)由于各种现场总线的标准不能统一,也无法兼容,不能真正实现透明信息互访,无法实现信息的无缝集成。
  (5)各种现场总线都是专用的实时通信网络,成本较高,且速度也较慢,支持的应用也非常有限,不便与英特网信息集成。
  鉴于以上各种原因,使一部分人自然转向在IT行业已获得成功的以太网技术。如法国施耐德公司1998年推出的“透明工作”(ModbusTCP/IP)使其成为工业Ethemet的倡导者[s];德国西门子公司2001年发布其工业Ethemet规范(Profinet);2口汉〕年美国Roerwell公司推出EtherNe口IP和基金现场总线FF推出的HSE等等。
  3以太网应用于工业现场的关键问题及技术
  3.1环境适用性、可靠性、安全性
  众所周知,工业环境要求抗振动、冲击;气候环境要求适应温度变化,并耐腐蚀、防尘、防水;电磁环境要求电磁兼容性EMC符合EN50081一和EN50082一标准。针对这些环境适应性要求,工业以太网都采用工业级的电子元器件。其具有耐腐蚀、防尘、防水、加固型盯一45.DB一、航空接头等的接插件,双冗余的电源供方式,DIN导轨的安装方式,满足EN50081-2.ENS(X)82一电磁兼容。如美国Syne吧etie微系统公司和德国Hirschmann公司等专门开发和生产了导轨集线器、收发器和交换机产品,安装在标准的DIN导轨上,并在冗余电源供电,接插件采用牢固的DB习结构。美国W以记haadConnectivity公司开发和生产了用于工业控制现场的加固型连接器;国内也有此类产品,如东土电信的心EN系列工业以太网交换机;台湾地区的四零四科技在2002年6月推出工业以太网产品—MOXAEtherDevieeServer(工业以太网服务器),特别设计了用于连接工业应用中具有以太网接口的工业设备。
  3.2工业以太网的通信确定性和实时性
  以太网通信响应的不确定是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。众所周知,以太网采用CSM灯CD机制解决通信介质层的竞争通路,这种机制使得以太网不是本质上的实时性网络;而且由于冲突的存在使得以太网具有不确性,甚至发生频繁的碰撞,导致某些节点数据帧的丢失。
  随着以太网技术的发展,在确定性速度和优先法则方面得到了很大的提高,越来越能满足工业应用的需要。近几年来,交换式以太网技术的出现大大提高了以太网的确定性:利用交换技术,可以将一个较大的网络分隔成为各自相对独立的冲突域,使冲突只能在一个相对较小的区域内产生;具有数据存储的功能,使各级端口之间输人和输出的数据帧得到缓冲;还可以对网络上的传输数据进行过滤,使每个网络内节间点数据的传输只能在本地网段内进行,降低了主干网的负荷;另外,以太网的通信速率从roM、looM增大到如今的1以X)M、IG,在数据吞吐量相同的情况下,速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小,即网络冲突概率的大大下降;全双工通信又使得端口间两对双绞线(光纤)上分别同时接收和发送报文帧,也不会发生冲突。所以,工业以太网的通信确定性和实时性大大提高。
  3.3网络安全性
  工业以太网由于使用了TCP/IP协议,因此可能会受到包括病毒、黑客的非法人侵与非法操作等网络安全威胁。
  对此,一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理;另外也可实施控制区域微网段化,各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干网相连,实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
  3.4总线供电技术问题
  所谓总线供电是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号,还能给现场设备提供电源。对需要防爆隔离的危险场所,总线供电的意义十分重要;而Ether-net原来主要用于商业场所,没有总线供电的要求。
  目前可采用直接电源祸合、电源冗余管理等总线供电技术实现总线供电的以太网集线器。另外,可以在以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范,将以太网的曼彻斯特信号调制到直流或低频交流上,在现场再将这两种信号分离出来;但必须注意,修改后的物理层协议应与传统的以太网兼容。
  3.5互操作性问题
  互操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协议进行通信与互用、互换。它是开放系统的主要特征。它为用户提供了一个更大的市场选择机会,而且决定了这一通信技术能否被广大自动化设备制造商、集成商所接受,是否可进行大面积推广和应用。
  以太网(xEEE802.3)只映射到150/0517层模型中的物理层和数据链路层,TCP/IP只映射到网络层和传输层,对较高的会话层、表示层、应用层没有作技术规定。而RFC组织文件中的应用层协议,如文件传送协议也仅仅制订了应用程序该如何操作,以太网设备生产厂家还必须根据这些文件定制专用的应用程序。
  要解决基于以太网的工业设备之间的互操作问题,行之有效的方法是在以太网+TCP(uDP)月P协议的基础上,制定统一的并适用于工业现场控制的应用层技术规范;同时参考IEC的有关标准,在应用层上增加用户层,将各种工业控制的功能块进行标准化,便于实现不同制造商设备的混合组态与互相调用。
  3.6网络的可维护性和可恢复性
  网络的可维护性是高可用性系统的焦点。通过对系统和网络的在线管理,可及时发现情况,并使故障及时得到处理。
  为了提高网络的可维护性,我们可通过提高可靠性设计来提高现场设备的可靠性,也可采用环型冗余结构以太网络结构;另外,还可采用智能化的现场设备,对现场设备进行在线监视、诊断、维护管理。
  可恢复性是指以太网系统中的任一设备或网段发生故障而不能正常工作时,系统能依靠预先设计的自恢复程序将断开的网络重新链接起来,并隔离相应的故障段;同时系统能自动定位故障,以使故障能得到及时修复。
  3.7本质安全与安全防爆技术问题
  在工厂现场,尤其是化工、石油、煤矿等工业现场,不可避免地存在易燃、易爆、有毒等危险因素。对应用于这些工业设备的装置,必须采取一定的防爆与隔爆措施来保证安全。
  对本质安全可采用抑制点火能量作为手段,且结构简单、体积小、质量轻、造价低、适用面广,并可在带电情况下进行维护和更换。实现本质安全的关键技术是低功耗技术和本质安全防爆技术。本质安全包括工业以太网交换机、转输媒体以及基于以太网的变送器和执行器等。而目前以太网收发器的本身功耗都较大—一般为60一70mA(SV),因此,基于工业以太网的低功耗现场设备和交换机的设计比较困难。
  在目前的技术条件下,对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行。可对以太网现场设备采取增安、气密、浇注等隔爆措施,使设备本身的故障产生的电火花能量不会外泄,以保证系统使用的安全性。
  3.8远距离传输技术问题
  通用以太网的传输速度一般为10Mb/s,looMh/,,l‘xx〕Mb/s,信号在媒介中传输时总存在着衰减和失真。然而,在工业生产现场,由于生产装置一般都比较复杂,各种测量和控制仪表位置分散,彼此距离也较远,采用传统的方法设计以太网,使用roBase一T双绞线就显得不够;而使用roBase一或10Base一5同轴电缆则不能进行全双工通信,而且布线成本高。随着通信技术的发展,光缆的成本已经越来越低。鉴于此,在设计一个工业以太网时,我们可以在中控室和各控制域之间采用光纤连成主干双冗余环网,各控制域的交换机到现场设备采用屏蔽双绞线或屏蔽同轴电缆,把交换机安装到靠近现场设备的位置。这样不仅解决了骨干网的远距离通信问题,而且由于光纤具有良好的电磁兼容性,大大提高了主干网的抗干扰能力和可靠性,也为将来网络的扩展、速度的提升留下足够的技术空间。这种方案在作者参与设计的金雨高速公路隧道监控工程中已得到应用。
  4工业以太网的发展前景
  随着以太网通信速度的提高,全双工通信、交换技术的发展,IEC正着手起草实时以太网标准,旨在推动以太网在过程控制中的应用。种趋势,在国家“863”计划的支持下,以浙江大学、浙大中控为主,联合中科院沈阳自动化研究所、清华大学等,开展了EPA的技术研究,重点研究以太网技术应用于工业现场设备间通信的关键技术。该项研究在实时通信、总线供电、远距离传输、网络安全、可靠性等方面已取得了一定的成果;并在以上成果的基础上起草了E以国家标准《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准》,通过了IEC/TC124组织的评审,得到IEC/Sc65(国际电工理事)95.8%国家的赞成。
  为了促进Ethernet在工业领域的应用,国际上成立了工业Ethernet协会和IAONA,并与美国ARC研究中心和GartnerGroup等机构合作,开展了工业Ethemet关键技术的研究。美国电气电子工程师协会(IEEE)也在研究现场装置与Ethemet通信的标准,该标准可让网络直接看到对象。
  据美国权威机构ARC报告,今后以太网不仅继续在商业计算机网络通信市场和工业控制系统的上层网络市场占垄断地位,而且也必然领导未来现场总线的发展,Ethoet和TcP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。另据美国VDC调查报告,Ethemet在工业控制领域中的应用将越来越广泛,市场占有率的增长也越来越快—将从2仪旧年的11%增加到2005年23%。虽然目前以太网在过程工业控制中的应用还存在着许多问题,但随着以太网通信技术的发展与完善,这些问题肯定将得到解决,应用也会越来越广泛。
  作者已经将工业以太网技术应用到金雨高速公路隧道机电工程中。实践证明,在不远的将来,工业以太网技术将直接应用于工业控制,并将在工业现场控制系统中起到非常重要的作用。
  

作者:马世平 来源:机电一体化 2007.3 点击数: 发布时间:2013年11月14日
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