2.3 以太網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用
在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，各種現(xiàn)場總線曾占據(jù)了整個市場，但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展,總線機制已經(jīng)慢慢無法滿足企業(yè)的信息通信需要，成了企業(yè)信息化的一個瓶頸。而且由于控制網(wǎng)絡(luò)的總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致控制網(wǎng)絡(luò)間互連以及控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)出現(xiàn)了代價過高等問題。采用在辦公自動化網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的以太網(wǎng)來代替各種現(xiàn)場總線，成為解決這種瓶頸問題的一個新的思路，目前在世界上已經(jīng)有成功的在某些領(lǐng)域應(yīng)用的實例。
以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)，按照IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，它采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）模式對共享媒體進行訪問。其協(xié)議對應(yīng)于ISO/OSI 七層參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)為同軸電纜、雙絞線、光纖燈，采用總線型或者星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s 或更高。在辦公和商業(yè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)是最常用的通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)技術(shù)由于具有成本低、通信速率高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的技術(shù)支持基礎(chǔ)和強大的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ戎T多優(yōu)點，在過程控制領(lǐng)域的管理系統(tǒng)層得到廣泛應(yīng)用。
2.3.1 現(xiàn)場總線技術(shù)存在的缺陷和問題
傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)存在的最大問題就在于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一�，F(xiàn)場總線多達十多種，應(yīng)用廣泛的就有八種之多，包括有:FF 的H1，Control Net，Profibus，Interbus，P-net，WorldFIP，Swiftnet，F(xiàn)F 的高速Ethernet，即HSE。其中，P-net 和Swiftnet是專用總線，Control Net，Profibus，Interbus，WorldFIP 是從PLC 發(fā)展而來的，H1 和HSE 是從傳統(tǒng)的DCS 發(fā)展而來的，這使得基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)顯得比較雜亂，如圖2-2 所示。
圖2-2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
如上所述，由行業(yè)與地域發(fā)展歷史等原因，行業(yè)眾多，需求各異，加之各公司和各集團受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，現(xiàn)場總線難以統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)。這種情況明顯違背了當(dāng)初開發(fā)現(xiàn)場總線的初衷。發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，真正形成開放互連的系統(tǒng)，是大勢所趨。
2.3.2 工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展歷程
以太網(wǎng)（Ethernet）最初源于1975 年美國Xerox 公司和斯坦福大學(xué)建造的一個219Mb/s 的CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）系統(tǒng)。它以無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)，在1000m 的電纜上連接了100 多臺計算機。這就是如今以太網(wǎng)的鼻祖，主要是為了計算機之間大量文件的傳輸。隨后，DEC、Intel 及Xerox 聯(lián)合公布了以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，成為DIX 規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，1982 年，電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）制定了IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)。1990 年2 月，該標(biāo)準(zhǔn)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。因此，IEEE802.3 以“以太網(wǎng)”為技術(shù)原型，本質(zhì)特點是采用CSMA/CD 的介質(zhì)訪問控制技術(shù)，“以太網(wǎng)”與IEEE802.3 略有區(qū)別，但在忽略網(wǎng)絡(luò)協(xié)議細(xì)節(jié)時，人們習(xí)慣將IEEE802.3 稱為“以太網(wǎng)”。
20 世紀(jì)80 年代中期產(chǎn)生的現(xiàn)場總線，本質(zhì)上就是工廠中的局域網(wǎng)�，F(xiàn)場總線系統(tǒng)將只能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)連接，使得工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展成為可能，使得工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。但各主要現(xiàn)場總線各具特點，不可互相替代，不能在原來的技術(shù)上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。除了他們的技術(shù)特色和背后支持公司之間的利益沖突外，還因為現(xiàn)場總線發(fā)展過程中，過多的強調(diào)了自動化網(wǎng)絡(luò)的特殊性，忽略了信息技術(shù)的發(fā)展成果，加上當(dāng)時的微處理器功能簡單，數(shù)字處理能力不強，不能處理Ethernet 上“捆綁”使用的TCP/IP 協(xié)議，致使現(xiàn)場總線技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用發(fā)展緩慢。
1998 年德國西門子公司發(fā)布了工業(yè)Ethernet 白皮書，并與2001 年發(fā)布其工業(yè)Ethernet 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，稱為PROFLInet。
在1999 年，法國施耐德公司旗下MODICON 公司公布了Modbus TCP 協(xié)議，配合施耐德公司提出的“透明工廠”的戰(zhàn)略，使法國施耐德成為工業(yè)以太網(wǎng)的堅決倡導(dǎo)者，Modbus/TCP 協(xié)議已一種非常簡單的方式將Modbus 幀嵌入TCP 中。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應(yīng)答。這種呼叫/應(yīng)答的機制與Modbus 的主從機制互相配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性和可靠性，利用TCP/IP 協(xié)議，網(wǎng)頁的形式使用戶界面更加友好，并且利用瀏覽器可以查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部的設(shè)備運行情況。施耐德公司已經(jīng)為Modbus 注冊了502 端口，這樣就可以將實時數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)頁中，通過在設(shè)備中嵌入Web 服務(wù)器，就可以將Web 瀏覽器作為設(shè)備的操作中斷，非常方便。目前已經(jīng)有專門的Modbus 組織來討論將Modbus TCP 協(xié)議推廣，使得Modbus TCP/IP 日漸成為目前工業(yè)以太網(wǎng)事實上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并促進了以太網(wǎng)在傳感器和設(shè)備級別的應(yīng)用。
美國羅克韋爾公司于2000 年公布了工業(yè)Ethernet 規(guī)范，稱為Ethernet/IP。Ethernet/IP 是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它很好地采用了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)通信芯片以及物理媒體。IP 代表Industrial Protocol，以此來與普通的以太網(wǎng)進行區(qū)別。它是將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場層的一種有效方法，允許工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備交換實時性強的數(shù)據(jù)。Ethernet/IP 模型由IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、以太網(wǎng)的TCP/IP 協(xié)議和控制與信息協(xié)議CIP 三部分組成。CIP 是一個端到端的面向?qū)ο蟛⑻峁┝斯I(yè)設(shè)備和高級設(shè)備之間的連接的協(xié)議。CIP 有兩個主要目的，一個是傳輸同I/O 設(shè)備相連接的面向控制的數(shù)據(jù)，另一個是傳輸同其他被控系統(tǒng)相關(guān)的信息，如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等。CIP 協(xié)議規(guī)范主要由對象模型、通用對象庫、設(shè)備行規(guī)、電子數(shù)據(jù)表、信息管理等組成。Ethernet/IP 協(xié)議就是在Ethernet 上的CIP 協(xié)議，IP 地址即插即用互操作的通用策略、裝置描述和恢復(fù)機制；網(wǎng)絡(luò)診斷議案；使用Web 技術(shù)；一致性測試需求；消除協(xié)議間差異的應(yīng)用接口等都是Ethernet/IP 模型的工作重點。
基金現(xiàn)場總線FF 于2000 年也公布了工業(yè)Ethernet 規(guī)范，稱為HSE（High SpeedEthernet，高速以太網(wǎng)）。作為原有高速總線H2 的替代，HSE 是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3、TCP/IP 協(xié)議族和FF H1 的結(jié)合體，運行在100Base-T 以太網(wǎng)上，能支持低速總線H1 的所有功能，是對H1 的補充和增強。FF 現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet 的集成。由HSE 連接設(shè)備將H1 網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進一步送到企業(yè)的ERP 和管理系統(tǒng)。操作員在現(xiàn)場主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況。HSE 通信模型有OSI 參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和應(yīng)用層，并在應(yīng)用層上增加了用戶層，形成6層的通信模式。在第四層，HSE 直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP 的結(jié)構(gòu)形式。底層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3μ的最新技術(shù)和CSMA/CD 鏈路控制協(xié)議來進行介質(zhì)的訪問控制。采用TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)面向連接和無連接的數(shù)據(jù)傳送，并為分布式主機控制系統(tǒng)（DHCP）、簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SMNMP）和現(xiàn)場設(shè)備訪問代理（FDA Agent）提供傳輸服務(wù)。HSE 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理代理、功能塊、HSE 管理代理和現(xiàn)場設(shè)備訪問代理都位于用戶層和應(yīng)用層，提供設(shè)備的描述和訪問，功能塊無需添加任何專用設(shè)備即可直接連入高速網(wǎng)絡(luò)，同時也從另一個方面增強了HSE 設(shè)備的互操作性，并通過鏈接設(shè)備（Linking Device）將FF H1 網(wǎng)絡(luò)鏈接到HSE 網(wǎng)段上。HSE 鏈接設(shè)備同時具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，其網(wǎng)橋功能能夠用來連接多個H1 總線網(wǎng)段，使不同H1 網(wǎng)段上的H1 設(shè)備之間能夠?qū)Φ韧ㄐ哦鵁o需主機系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機可以與所有鏈接設(shè)備和連接設(shè)備上掛接的H1 設(shè)備進行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)程的現(xiàn)場設(shè)備，并接受來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)監(jiān)控和報表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可直接映射到標(biāo)準(zhǔn)功能或者“柔性功能塊”（FFB）中。
2.3.3 以太網(wǎng)在工業(yè)通信領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)劣及改進
經(jīng)過上文的對比我們可以看出，與各種現(xiàn)場總線相比較，以太網(wǎng)具有非常明顯的優(yōu)勢。
第一，以太網(wǎng)通信的開放性好。由于有標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議作為底層，不同廠商的設(shè)備之間很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問題。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，遵循國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEC/ISO802.3，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，如Java、Visual C++、HDL 語言等。
第二，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀竞唾M用低廉。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，受到了硬件開發(fā)商和生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，因此多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇；與目前眾多的現(xiàn)場總線相比，價格也低廉得多（以太網(wǎng)網(wǎng)卡和線纜的價格比大多數(shù)現(xiàn)場總線的網(wǎng)卡和線纜的價格要低很多，約為后者的1/10）。在工程和應(yīng)用方面，由于以太網(wǎng)已經(jīng)沿用多年，已為眾多的技術(shù)人員所熟悉，并對以太網(wǎng)的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用等有很多的經(jīng)驗。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，有多種開發(fā)格局可供選擇�，F(xiàn)有的大量資源可以極大的降低以太網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)、培訓(xùn)和維護費用，從而可有效降低系統(tǒng)的整體成本，加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。
第三，數(shù)據(jù)傳輸速率很高。以太網(wǎng)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率包括10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s,比目前任何一種現(xiàn)場總線都快，可以為工業(yè)通信提供足夠的帶寬。而且以太網(wǎng)資源共享能力強，在總線機制中利用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，很容易將I/O數(shù)據(jù)輸入到信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)很容易以實時方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫共享；以太網(wǎng)從扁平的總線共享模式發(fā)展到結(jié)構(gòu)化的交換模式以后，任何一種段之間的通信通過交換機實現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)，由于可以給每個端口都配置獨立的沖突域（Collision Domain），不存在信道共享引起的競爭問題，系統(tǒng)的通信容量成倍增加。相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，而網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕則意味著傳輸效率的提高。
第四，遠(yuǎn)程技術(shù)的應(yīng)用。以太網(wǎng)由于具有比較通用的協(xié)議，很容易與Internet連接。在可能的情況下，幾乎在任何城市、任何地方都可以利用Internet 網(wǎng)絡(luò)對企業(yè)的生產(chǎn)情況進行監(jiān)視控制，而Web 技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程設(shè)備管理、遠(yuǎn)程軟件維護和遠(yuǎn)程設(shè)備診斷。
第五，容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，有利于資源共享。由于TCP/IP 協(xié)議的通用性，以太網(wǎng)可以實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)之間的無縫連接；隨著實時嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式平臺的發(fā)展，嵌入式控制器，智能現(xiàn)場測控儀器儀表可以方便的介入以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，直至與Internet 相連；容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，組建統(tǒng)一的企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上的用戶無論處于什么地方，也無論資源的物理位置在哪里，都能使用網(wǎng)絡(luò)中的共享數(shù)據(jù)、設(shè)備及其他服務(wù)，極大的解除了地理位置上的束縛，這種強大的資源共享能力得益于以太網(wǎng)的巨大用戶群，是目前其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。第六，支持多種物理介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)支持多種傳輸介質(zhì)，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無線等，使用戶可根據(jù)帶寬、距離、價格等因素作多種選擇。以太網(wǎng)支持總線型和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可擴展性強，同時可采用多種冗余連接方式，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。
第七，工業(yè)以太網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿薮�。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)無可爭議的成為管理層的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，監(jiān)控層也逐漸由RS-485、RS-232 等串行通信方式逐漸統(tǒng)一到以太網(wǎng)。而對于現(xiàn)場設(shè)備層，由于技術(shù)、經(jīng)濟和政治等方面的因素，以太網(wǎng)還沒有直接應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，市場上形成了多種現(xiàn)場總線并存的局面，這就給以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展提供的巨大的潛力空間。
總之，與傳統(tǒng)的總線傳輸相比較，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢是顯而易見的，如表2-1所示。
當(dāng)然，盡管以太網(wǎng)具備以上諸多的優(yōu)點，但作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，以太網(wǎng)是為IT 領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，傳統(tǒng)上也用于商業(yè)和通信的局域網(wǎng)絡(luò)，最初的以太網(wǎng)主要目的是分布的主機之間的資源共享，只考慮到傳輸數(shù)據(jù)，因此采用共享式，網(wǎng)上所有節(jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)的機會相等。同時，采用CSMA/CD 介質(zhì)訪問機制來處理信道的競爭和沖突。采用這種機制，以太網(wǎng)上各站點無需要依靠中心控制就能進行數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較小時，沖突很少發(fā)生，因此延遲低。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大時，就容易出現(xiàn)沖突，網(wǎng)絡(luò)性能隨之降低。由于沖突的處理具有隨機性，因此數(shù)據(jù)發(fā)送的通信延遲不確定，不能保證通信的實時性。因此，以太網(wǎng)直接引入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，還需要解決以下突出的幾個問題：
表2-1 總線傳輸與以太網(wǎng)傳輸優(yōu)缺點比較
首先，以太網(wǎng)的信息傳輸存在實時性差和不確定性，以太網(wǎng)在MAC 層采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）的媒體訪問機制，各個節(jié)點采用二進制指數(shù)后退算法處理沖突，因此具有通信延遲不確定的缺陷，也就是實時性的問題，并成為它在工業(yè)控制現(xiàn)場設(shè)備層實時環(huán)境中應(yīng)用的主要障礙。特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時，以太網(wǎng)不能滿足工業(yè)控制的實時性要求。而對于工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)通信延遲的“不確定性”會導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，控制效果不穩(wěn)定，甚至?xí)鹣到y(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時，還會因報警信息不能及時得到響應(yīng)，而導(dǎo)致災(zāi)難事件的發(fā)生，這是它應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的另一個主要障礙。雖然以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信技術(shù)以及IEEE802.1p&q 規(guī)定的優(yōu)先級技術(shù)在一定的程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：以太網(wǎng)交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制同樣是通信延遲具有不確定性，通信延遲的不確定性主要來自于其排隊延遲。無論采用那種存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，當(dāng)同時來自于多個端口的報文需要向同一個端口轉(zhuǎn)發(fā)時，交換機就必須將這些報文進行排隊緩沖，并依次轉(zhuǎn)發(fā)。因此，交換機的緩沖池大小將直接影響了來自于某一端口的報文能否及時被成功轉(zhuǎn)發(fā)；另外，以太網(wǎng)交換機存在著“廣播風(fēng)暴”問題，由于對于ARP，組播等協(xié)議，以太網(wǎng)有著其固有的處理方式，這種處理方式應(yīng)用在工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中用來發(fā)送實時數(shù)據(jù)報文時，同樣會產(chǎn)生碰撞。
其次，以太網(wǎng)的可靠性，安裝在工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備應(yīng)該具有高可靠性，即能夠抗沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及具有比較好的電磁兼容性。而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要應(yīng)用于辦公自動化領(lǐng)域，其所用插接件、集線器、交換機和通信線纜都是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，抗干擾能力差，難以滿足工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境要求。同時，在工廠環(huán)境中，以太網(wǎng)抗電磁干擾（EMI）性能較差，很多以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的總線供電機制如果用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能。因此以太網(wǎng)不能通過信號線向現(xiàn)場設(shè)備供電。
最后，以太網(wǎng)缺乏應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了ISO/OSI 參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，即使再加上TCP/IP 協(xié)議也只是提供了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能，兩個設(shè)備想要正常通信，必須使用相同的語言規(guī)則，也就是說還必須有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，目前，商用計算機通信領(lǐng)域采用的應(yīng)用層協(xié)議主要是FTP（文件傳輸協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議）、HTTP（超文本傳輸協(xié)議）等。這些協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不符合工業(yè)控制現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信要求。因此，需要制定統(tǒng)一的適用于控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。這也是本文主要的研究動機之一。
隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備之間通信的特點，在以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上增加一些改進措施，使以太網(wǎng)可以直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的實時通信。隨著以太網(wǎng)傳輸速率的提高和以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在被迅速的解決，并使以太網(wǎng)全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域乃至全面應(yīng)用于制造企業(yè)信息化全程中成為可能。針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，經(jīng)過認(rèn)真細(xì)致的調(diào)研和分析，采用一些技術(shù)可以解決以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵問題。其中包括以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信軟件層次、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)絡(luò)化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實時性�？傮w上來說，以太網(wǎng)用于工業(yè)自動化，對傳統(tǒng)以太網(wǎng)在四個方面進行了改進：
一、信息傳輸實時性和確定性的改進
最近幾年來，以太網(wǎng)技術(shù)有了長足的進步，其中，交換式以太網(wǎng)技術(shù)、高速以太網(wǎng)技術(shù)、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)、全雙工通信技術(shù)、IP 的服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)的發(fā)展與相互結(jié)合和應(yīng)用，大大的提高了以太網(wǎng)系統(tǒng)中的信息傳輸?shù)膶崟r性、確定性。特別是快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了契機，使這一應(yīng)用成為可能：首先，以太網(wǎng)的通信速率從10Mb/s、100Mb/s發(fā)展到現(xiàn)在的1000Mb/s、10Gb/s，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意
味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降，這樣通信介質(zhì)的占用時間也將隨之降低，有效的降低了網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率。第二，在應(yīng)用過程中，系統(tǒng)可采用全雙工通信技術(shù)使端口之間的兩對雙絞線（或光纖）分別同時接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使系統(tǒng)不再受到CSMA/CD 的約束，這樣，任一節(jié)點發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復(fù)存在，不會產(chǎn)生方式?jīng)_突；還可以采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行不同的功能層、不同的部門區(qū)分的邏輯劃分，增強網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、安全性和確定性。IP 的服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)的應(yīng)用則能使本設(shè)計方案在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中區(qū)分實時和非實時數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化、控制網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷，提高系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、確定性。第三，在實時性要求高的環(huán)境中采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用專用的工業(yè)交換機來分割總線上的沖突域，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸信道的獨享。交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段，由于交換機具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可以對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
在（全雙工通信），或碰撞幾率大大降低（半雙工通信），為此Ethernet 通信的確定性和實時性將大大提高。
另外，還可以采用軟件方式來解決工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題，就是在一定的帶寬資源基礎(chǔ)上，由軟件調(diào)度實現(xiàn)實時、確定性通信功能。
二、通信可靠性的改進
為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求，一些廠家已經(jīng)推出了工業(yè)級的以太網(wǎng)設(shè)備，用于提高以太網(wǎng)的可靠性。在實際應(yīng)用中，主干網(wǎng)絡(luò)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接可采用屏蔽雙絞線。對于重要的網(wǎng)段和節(jié)點的通信器件采用冗余配置和自動無縫切換（熱備份），在可能的情況下配置一個實時監(jiān)控軟件，不斷監(jiān)視整個網(wǎng)絡(luò)的通信狀況以及每一個節(jié)點的軟硬件工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就能夠迅速將故障點隔離開來，并做出相應(yīng)報警。所有這些手段都可以有效地提高以太網(wǎng)通信的可靠性和穩(wěn)定性。
以太網(wǎng)的插接件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室的應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(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。若直接將辦公用的以太網(wǎng)用于危險場合，則不具備本質(zhì)安全特性，也不允許具有通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能，辦公環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的對比如表2-2 所示。
表2-2 辦公室環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的比較
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。在不間斷的工業(yè)領(lǐng)域，為了解決在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能夠穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic 微系統(tǒng)公司和德國Hirschman 公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器和交換機系列產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN 導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，插接件采用牢固的DB-9 結(jié)構(gòu)。同時，各大老牌網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商如美國Cisco 公司、加拿大Nortel 公司對其已有的產(chǎn)品進行改進，使之能夠具有冗余電源備份，耐高溫、耐沖擊性大大提高，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種特殊需求，而我國的本土網(wǎng)絡(luò)制造企業(yè)華為也對已有的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進行改進，以滿足工業(yè)現(xiàn)場對以太網(wǎng)的要求。控制領(lǐng)域的領(lǐng)先者，我國臺灣省的企業(yè)研華公司也針對工業(yè)通信行業(yè)推出了相應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。
現(xiàn)在的工業(yè)Ethernet 現(xiàn)場總線采用一種稱為連接裝置（Linking Device）的類似帶開關(guān)的集線器結(jié)構(gòu)，很好地解決了Ethernet 的時間確定性問題。目前，Profibus、 DeviceNet、ControlNet 和LonWorks 等都打算使用Ethernet。這些公司都在研究通過隧道（Tunnel）的簡單傳輸機構(gòu)，使用Ethernet 傳送報文傳統(tǒng)的Ethernet 并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等環(huán)境條件非常惡劣，因此對設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護性。
三、本質(zhì)安全和總線供電
本質(zhì)安全是與隔爆型技術(shù)相對比而言的，本質(zhì)安全技術(shù)采用抑制點火源能量的防爆手段。實現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本質(zhì)安全防爆技術(shù)。由于以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大（300W 左右），基于以太網(wǎng)的低功耗現(xiàn)場設(shè)備和交換機的設(shè)計比較困難。對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施非常必要。
總線供電指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。如果要求總線供電保持本質(zhì)安全，需要采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，為此，各工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)制造廠商都設(shè)計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或者總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。
對現(xiàn)場設(shè)備的總線供電可采用以下兩種方法：第一，在目前的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設(shè)備端再將這兩路信號分離開來。采用這種方法時必須注意，修改后的以太網(wǎng)應(yīng)在物理層上與傳統(tǒng)以太網(wǎng)兼容；第二，不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，及應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場的以太網(wǎng)仍然使用目前的物理層協(xié)議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)備提供電源。相比而言，第一種方法雖然實現(xiàn)了與傳統(tǒng)DCS 以及FF、Profibus 等現(xiàn)場總線所采用的總線供電方法一致，做到了一線二用，節(jié)省了現(xiàn)場布線，但這種修改后的以太網(wǎng)設(shè)備與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備不再能夠直接互聯(lián)，而必須增加額外的轉(zhuǎn)接設(shè)備才能實現(xiàn)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備（如計算機的以太網(wǎng)卡）的連接。
四、工業(yè)控制中使用Ethernet 如何獲得技術(shù)支持
通�？梢圆捎密浖鉀Q方案來提高Ethernet 在工業(yè)領(lǐng)域的性能，其特點為：第一，在一定的帶寬資源基礎(chǔ)上，由軟件調(diào)度實現(xiàn)實時、確定性通信功能；第二，改進協(xié)議。對工業(yè)數(shù)據(jù)報劃分不同的優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級的不同，依據(jù)“傳輸前等待優(yōu)先權(quán)以太網(wǎng)“算法征用信道，保證重要實時數(shù)據(jù)優(yōu)先獲得信道使用權(quán)；第三，在傳輸層采用UDP 比TCP 協(xié)議更能滿足實時性的要求；第四，通過設(shè)計新的應(yīng)用層協(xié)議來更好地利用以太網(wǎng)的特性為工業(yè)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，重新定義應(yīng)用層服務(wù)和協(xié)議，是應(yīng)用進程之間能夠通過這些服務(wù)相互傳遞信息，比如，定義基于XML 可擴展標(biāo)記語言的設(shè)備描述方法等。
由于采用與商用以太網(wǎng)相同的技術(shù)，因此工業(yè)以太網(wǎng)具有最廣泛的支持網(wǎng)絡(luò)和資源。國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（www.industrial.ethernet.com）和IAONA（www.iaona.com），并與研究中心等機構(gòu)合作，開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國電氣工程師協(xié)會（IEEE）正著手制定現(xiàn)場裝置與以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)直接看到對象（object）。這些工作為以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化的現(xiàn)場打下了基礎(chǔ)。
五、Ethernet 與網(wǎng)絡(luò)安全的問題
工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。一般情況下，可采用網(wǎng)關(guān)或者防火墻等對工業(yè)網(wǎng)路與外部網(wǎng)絡(luò)進行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理。在特別重要的應(yīng)用場合，甚至可以用物理隔絕的工業(yè)以太網(wǎng)來保證安全。
在工廠運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不意味著工廠網(wǎng)絡(luò)一定要連接到互聯(lián)網(wǎng)。如果采用網(wǎng)絡(luò)的工廠連入互聯(lián)網(wǎng)均適用TCP/IP，這樣就面臨互聯(lián)網(wǎng)類似的安全問題，這時候可以采用互聯(lián)網(wǎng)的安全解決方案如采用RSA、VPN 提供遠(yuǎn)程訪問，利用身份識別技術(shù)（硬件、軟件），用戶權(quán)限、用戶密碼的安全機制等。隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，指紋、聲音等生物信息的應(yīng)用也將會提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能。
2.4 國內(nèi)液晶生產(chǎn)線現(xiàn)狀及行業(yè)特點
液晶制造行業(yè)在國內(nèi)尚未有成形的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，也沒有成功的企業(yè)信息系統(tǒng)可以供參考，摸著石頭過河成為液晶行業(yè)MES 實施的主題，本節(jié)將從液晶行業(yè)信息化實施背景出發(fā)，分析了液晶行業(yè)的行業(yè)特點。
2.4.1 液晶顯示器的材料組成及目前技術(shù)發(fā)展情況
LCD 為英文Liquid Crystal Display 的縮寫，即液晶顯示器，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。 當(dāng)前LCD液晶顯示器正處于發(fā)展的鼎盛時代，技術(shù)發(fā)展非常迅速，已由最初的TN－LCD（扭曲向列相），發(fā)展到STN－LCD（超扭曲向列相），再到當(dāng)前的TFT－LCD（薄膜晶體管）。LCD 現(xiàn)已發(fā)展成為技術(shù)密集、資金密集型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。液晶顯示器主要由導(dǎo)電玻璃、液晶、偏光片、封接材料（邊框膠）、導(dǎo)電膠、取向?qū)�、襯墊料等組成。液晶顯示器制造工藝流程就是這些材料的加工和組合過程。
2.4.2 液晶顯示器制造行業(yè)特點
由于液晶顯示器（LCD）市場的變化需求很快，這就要求LCD 生產(chǎn)企業(yè)有必要建立起一套面向市場的生產(chǎn)組合，能迅速根據(jù)市場需求進行生產(chǎn)；而LCD 要求的大批量生產(chǎn)也希望建立起一套通過簡單輸入就能反映經(jīng)營者判斷的管理系統(tǒng)；同時，出于液晶面板材料和設(shè)備零部件供應(yīng)周期長，需要建立起包括客戶、零部件供應(yīng)商在內(nèi)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)（SCM）。結(jié)合制造行業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分析可以發(fā)現(xiàn)，LCD 生產(chǎn)企業(yè)有以下的行業(yè)特點：
第一，生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)階段分明。整個生產(chǎn)線分成三個階段，分別位于三個車間，陣列（工藝上又稱ARRAY）車間以液晶基板的生產(chǎn)為主，玻璃基板開始輸入到陣列廠房，經(jīng)過清洗和一系列化學(xué)處理以后，輸出可以作為液晶面板使用的液晶玻璃；成盒（工藝上稱CELL）車間主要將液晶玻璃和彩色濾光片貼合，并根據(jù)需要切割成不同尺寸的液晶面板；模塊（又稱MODULE 或者LCM）車間將切割后的面板加上背光源，驅(qū)動電路和各種接口形成可以接駁顯示源的顯示器。
第二，各生產(chǎn)階段自動化程度逐漸降低。三個車間中，陣列車間的生產(chǎn)由于涉及大量的化學(xué)設(shè)備、有毒有害裝置和放射性設(shè)備，對自動化要求程度最高，車間內(nèi)無操作人員，液晶基板的運輸通過自動搬運裝置（Automated Guided Vehicle，簡稱AGV）實現(xiàn)；模塊車間工序繁多復(fù)雜，而且由于客戶需求不同變動較大，需要人工校準(zhǔn)的工序眾多，因此自動化要求最低，操作人員流動性很大；成盒車間介于兩者之間，有部分操作人員，半自動設(shè)備居多，需要部分操作人員進行現(xiàn)場操作，設(shè)備基本固定。
第三，生產(chǎn)區(qū)域潔凈度要求較高。由于日�？諝庵械奈⑿☆w粒會對液晶面板的品質(zhì)產(chǎn)生很大影響，液晶生產(chǎn)需要在無塵的環(huán)境下進行，各個階段的生產(chǎn)工藝對無塵的要求不一致，陣列廠房在對玻璃基板進行化學(xué)反應(yīng)的時候無塵要求最高；成盒廠房次之；模塊廠房由于液晶面板已經(jīng)封裝，對無塵要求最低。
第四，生產(chǎn)工藝連貫性強，要求全線生產(chǎn)。液晶面板的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，每道工序?qū)斎胼敵龅臅r間要求很強，前一道工序完成后，后一道工序必須要在某個時間內(nèi)進行，否則就會產(chǎn)生不良品，這對生產(chǎn)線控制的可靠性提出了很高的要求�？傊�，和一般行業(yè)相比，液晶制造行業(yè)所具有的行業(yè)特點如表2-3 所示：
表2-3 液晶制造行業(yè)特點
2.5 MES 實施中的數(shù)據(jù)采集問題
鑒于作為實例的液晶面板生產(chǎn)線具有的特點，并要求實時對生產(chǎn)線監(jiān)視控制，這樣MES 的實施就面對了兩個無法回避的問題：如何統(tǒng)一將生產(chǎn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)送入MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，如何把MES 系統(tǒng)中的控制信號快速送到設(shè)備從而執(zhí)行，本文將主要解決前一個問題，并提出后一個問題的解決方案。
生產(chǎn)設(shè)備來自各個廠商，并且在每個車間的生產(chǎn)設(shè)備通信制式和通信特點有著很大的差別，經(jīng)過對比后，對于不同設(shè)備之間、設(shè)備與MES 服務(wù)器之間的通信，MES系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，針對通信制式不統(tǒng)一的問題，開發(fā)出適合于工業(yè)生產(chǎn)線的高層協(xié)議，通過協(xié)議封裝的方式來解決通信格式不統(tǒng)一的問題。
MES 系統(tǒng)會根據(jù)生產(chǎn)的進度需要對各個設(shè)備發(fā)出控制命令，通過分析研究，最終采用的解決方案簡述為：將這些控制命令按照車間劃分統(tǒng)一先傳到一個控制終端服務(wù)器（Virtual Flexible Communication Terminal Server，簡稱VFCT 服務(wù)器），VFCT 服務(wù)器會和終端設(shè)備保持高速的同步，以便能將控制信號實時的送到設(shè)備上進行執(zhí)行。
2.6 本章小結(jié)
本章主要分析了液晶生產(chǎn)企業(yè)的行業(yè)特點，針對這種行業(yè)特點對MES 的實施進行需求分析；對通信行業(yè)在制造型企業(yè)中的發(fā)展歷史做了回顧，通過對工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及以太網(wǎng)在工業(yè)中應(yīng)用進行了分析比較。指出傳統(tǒng)的總線傳輸機制和新興的工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)劣，提出對以太網(wǎng)的改進的方法并進行進一步闡述。
相關(guān)連載：
工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（一）上
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96196.htm
工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（一）下
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96197.htm
工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（二）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96220.htm
工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（三）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96236.htm
工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（四）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96262.htm
轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/
本文標(biāo)題：工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（一）下
本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/consultation/1083944055.html
相關(guān)文章
