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陽憲惠,徐用懋,魏慶福

互聯網作為當代社會的信息高速通道，把大量局域網連接成廣域網，對社會發展和人類生活產生了重要影響。在該項技術迅速發展與不斷成熟的同時，也深刻影響著相關領域的技術發展。現場總線是這一近年來倍受關注并得到迅速發展的自控新技術，在實現自控設備間數字通信與控制網絡互連的過程中，其技術發展趨勢明顯受到互聯網技術的影響。互聯網技術甚至成為現場總線技術發展的新亮點。
互聯網技術通常是WWW中網絡與數字通信技術的俗稱。按ISO開放系統互連參考模型的分層結構，它包括有通信模型中物理層與數據鏈路層的以太網規范；網絡層的網際互連協議IP；傳輸層的傳輸控制協議TCP、用戶數據報文協議UDP；會話層至應用層的簡單郵件傳送協議SMTP、域名服務DNS、文件傳輸協議FTP、虛擬終端TELNET等，即把以太網和TCP/IP緊密地捆綁在一起，再加上超文本鏈接HTTP、動態網頁發布等。
現場總線技術產生于80年代。當初人們在開發這一自控設備間數據通信技術時，把主要注意力集中在滿足控制的實時性要求，工業環境下的抗干擾，總線供電等控制網絡特定條件下的需要。由于傳統控制網絡中要傳輸的數據量不大，那時開發的現場總線的傳輸速率大都較低。那時人們還沒有意識到自控設備會有向網絡發布網頁信息的需要與可能，加上以太網采用載波監聽多路訪問的媒體訪問控制方式，其通信的非確定性使人們一直認為它不適于在控制網絡中使用。
隨著信息技術的發展，也由于現場總線技術本身所蘊涵的經濟潛力，出現了近年來的現場總線技術與產品的開發之熱。據說已出現各式各樣的現場總線一百多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種，并出現了各式各樣的地區與國家標準，由此引發了現場總線的國際標準大戰。
IEC/TC65負責測量和控制系統數據通信國際標準化工作的SC65C/WG6于1984年就開始著手標準的制定，并致力于推出于世界上單一的現場總線標準。自1993年通過了IEC現場總線物理層標準IEC61158-2之后，由于種種經濟、社會與技術原因，使現場總線標準的制定一直處于混亂狀態。IEC在歷經多年爭斗與調解的努力之后，于2000年初宣布有IEC 61158、ControlNet、Profibus、P-Net、Foundation Fieldbus、Newcomer SwiftNet、WorldFIP、Interbus-S八種現場總線標準成為IEC現場總線國際標準子集。這一結果確實令人失望，也違背了制定世界上單一現場總線標準的初衷。至今，除了少數組織還希望將其總線擠入IEC標準正不懈努力外，許多人對制定國際現場總線標準已失去信心與興趣，致使2000年之后的標準混戰明顯降溫。IEC現場總線國際標準制定的結局也向世人表明，在相當長一段時期內多種現場總線并存，控制網絡的系統集成與信息集成會面臨困難的復雜局面。無論是最終用戶還是制造商，普遍都在關注現場總線技術發展的新動向，都在尋求高性能低成本的解決方案。
正是在現場總線標準爭論處于不可開交之際，互聯網技術悄然進軍現場總線控制網絡領域。這一方面是因為它技術成熟、易于得到，性能價格比高，另一方面是因為隨著技術發展現場設備對通信性能的要求提高，原有的現場總線技術難以滿足應用需求，因而轉向青睞互聯網技術。
1  與互聯網技術的結合是現場總線控制網絡的應用需要
現場總線控制網絡位于企業信息網絡的底層，其根本任務是要完成生產現場的測量控制任務，提供生產過程與設備的各種信息。從網絡結構與企業信息集成的應用需求來看，企業要把管理、決策、市場信息和生產控制信息結合起來，把各種應用協調為一個整體，實現產品開發、生產加工、原料供應與產品儲運、市場信息、企業管理、決策等過程的一體化解決方案，就需要把現場總線控制網絡與企業內部網Intranet、互聯網Internet連接成為一個整體。

圖1  企業網絡系統的層次結構圖

圖1為企業網絡系統的層次結構。一般可按功能把它劃分為三層：底層為完成生產現場測量控制功能的過程控制層PCS（Process Control System）；最上層為企業資源規劃層ERP（Enterprise Resource Planning）；而傳統概念上的監控、管理、調度等多項控制管理功能交錯的部分都被包羅在中間的制造執行層MES（Manufacturing Execution System）。圖中ERP與MES層大多采用以太網技術構成網絡，網絡節點多為各種計算機及其外設。隨著互聯網技術的飛速發展與普及，在ERP與MES層的網絡集成與信息交互得到了較好解決。它們與外界互聯網之間的信息交互也相對比較容易。
由于生產現場自控設備的種類繁多，測控設備間通信技術發展的相對滯后與不成熟，使得在現場總線控制網絡所處的過程控制層內部實現信息交換的難度較大。該層一般包含有現場總線設備、DCS、PLC、SCADA等。僅就現場總線系統而言，由于各種總線采用的網絡協議和介質各不相同，不同標準的總線設備之間實現互連和互操作存在較多障礙。該層信息內容主要為生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點量程調校信息等。在一體化解決方案中，需要調用、設置這些參數值，需要解決該層內部、該層與上層及其與外部網絡在信息集成中存在的困難。互聯網技術深入到現場總線網絡，無疑有助于實現層內與層間的信息集成。
控制網絡與互聯網的結合拓寬了測量控制系統的范圍與視野，為實現跨地區的遠程控制與遠程故障診斷創造了條件。人們可以在千里之外查詢生產現場的運行狀態；方便地實現偏遠地區生產設備的無人值守；遠程診斷生產過程或設備的故障；在辦公室查看并操作家中的各類電器等。正是控制網絡與互連網的結合使實現這些應用成為可能。
2  互聯網技術成為現場總線技術發展的新亮點
隨著現場設備功能逐漸增強，現場設備之間、以及現場設備與MES層、ERP層之間需要進行交換的數據量成倍增加。加之現在有了現場設備要內置Web Server、以網頁形式與外界溝通信息的需求，而現場總線網段的通信速率一般都比較低，典型的如FF H1的通信速率為31.25kbps，一個以31.25kbps為傳輸速率的現場設備是無法支持上述功能的。
盡管有些總線可以得到更高的通信速度，如ControlNet的傳輸速率為5Mbps，PROFIBUS-DP的傳輸速率可以高達12Mbps，但是它們需要特定通信芯片的支持，這些通信芯片的使用數量和價格都無法與以太網的相應部分相抗衡。市場需要技術成熟、魯棒性好、成本低的通信技術。互聯網技術能夠滿足這些要求，便于以較低的費用獲得高性能、低成本的控制網絡。
在現場總線領域采用快速以太網技術，以物美價廉的以太網設備替代控制網絡中相對昂貴的專用總線設備是趨勢之一。以太網是IEEE802.3所支持的局域網標準，最早由Xerox開發，后經數字儀器公司、Intel公司和Xerox聯合擴展，成為以太網標準。目前不僅在辦公自動化領域內，而且在各個企業的管理網絡都得到廣泛應用。由于它技術成熟，連接電纜和接口設備價格相對較低，帶寬在迅速增長，出現了千兆、萬兆以太網。采用快速以太網設備滿足現場設備對通信速度增加的要求，的確是物美價廉的方便之舉。
在現場總線網絡中采用全雙工交換式以太網交換機，以改善網絡通信的實時性，是互連網技術在現場總線領域滲透的又一實例。以太網交換機以星形拓撲結構為其端口上的每個網絡節點提供了獨立帶寬，使連接在同一個交換機上面的不同設備不存在資源爭奪，相當于每個設備獨占一個網段，使不同設備之間產生沖突的可能性大大降低，加上采用五類線將接收、發送信號分開，使全雙工交換式以太網有條件成為確定性網絡。
在現場設備中內置WEB服務器，使現場設備具備網頁發布功能，通過網頁與外界交換信息，應該說這是將互聯網設備的功能與技術直接引入到現場總線設備的結果。
當前許多現場總線組織都在積極致力于開發與互聯網技術結合的現場總線產品。與互聯網技術結合已經成為現場總線技術發展中的新亮點。
3  對通信非確定性的解決方案
通信非確定性是互聯網技術進入控制領域的最大障礙。現場總線控制網絡不同于普通數據網絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。由于以太網采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問的媒體訪問控制方式，一條總線上掛接的多個節點采用平等競爭的方式爭用總線。節點要求發送數據時，先監聽總線是否空閑，如果空閑就發送數據，如果總線忙就只能以某種方式繼續監聽，等總線空閑后再發送數據。即便如此也還會出現幾個節點同時發送而發生沖突的可能性，因而傳統以太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求，一直被稱之為非確定性（nondeterministic）網絡。
正是快速以太網與交換式以太網技術的發展，給解決以太網通信的非確定性帶來了希望，使這一應用成為可能。首先以太網的通信速率一再提高，從十兆到百兆，目前千兆以太網已在局域網、城域網中普遍應用，萬兆以太網也正加緊研制。相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕，而減輕網絡負荷則意味著提高網絡通信的確定性。
在全雙工交換式以太網上，交換機將網絡切分為多個網段，交換機之間通過主干網絡進行連接。在網段分配合理的情況下，由于網段上多數的數據不需要經過主干網傳輸，因此交換機能夠過濾掉這些數據，使這些數據只在本地網絡傳輸。這種方法使本地的數據傳輸不占用其他網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網絡的負荷。
在1個用5類雙絞線來連接的全雙工交換式以太網中，若一對線用來發送數據，另外一對線用來接收數據，因此1個100M的網絡提供給每個設備的帶寬有200M，這樣交換式全雙工以太網消除了沖突的可能，有條件達到確定性網絡的要求。
隨著技術的發展，各現場總線相繼推出了基于互聯網技術的新一代現場總線技術和產品，有的已經進入實際應用和推廣階段。雖然各家對新系統的命名各不相同，但是在具體實施上卻有如下相似之處：
物理介質采用標準以太網連線。
使用標準以太網連接設備（如交換機等）。
采用IEEE 802.3 物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組。
兼容上一代現場總線系統甚至DCS系統。
將傳統的三層網絡模型簡化為二層甚至一層。
下面將以FF、PROFIBUS、Controlnet和LonWorks為例，簡要介紹幾種現場總線與以太網結合的解決方案。
4  FF與互聯網結合的HSE（高速以太網）

圖2  HSE通信系統的模塊結構圖

HSE（High Speed Ethernet）是FF在屏棄了原有高速總線H2之后的新作。圖2表示了HSE通信系統的模塊結構。從圖中可以明顯看到，它正是以太網協議802.3、TCP/IP協議組與FF H1的結合體。FF現場總線基金會明確將HSE定位于實現控制網絡與互聯網Internet的集成。由HSE鏈接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干上。這些信息可以通過互聯網Internet送到主控制室，并進一步送到企業的ERP和管理系統。操作員在主控室可以直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況。現場設備同樣也可以從網絡獲得控制信息。

 
圖3  HSE系統的設備類型與連接示意圖

圖3表示了HSE通信系統的設備類型與連接關系。可以看到，HSE技術的一個核心部分就是鏈接設備（Linking Device）。它是HSE體系結構中將H1（31.25kbps）設備連接到100Mbps的HSE主干網的關鍵組成部分。位于以太網的主機系統能夠對鏈接設備上掛接的子系統和基于HSE的設備進行組態和監視。 HSE鏈接設備同時也具有網橋和網關的功能。它的網橋功能能夠用來連接多個H1總線網段，使不同H1網段上面的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統的干預。HSE主機可以與所有的鏈接設備和鏈接設備上掛接的設備進行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場設備，并接收來自現場設備的數據信息，實現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能塊中。
鏈接設備的網關功能允許將HSE網絡連接到其他的工廠控制網絡和信息網絡。HSE鏈接設備不需要為H1子系統做報文解釋，而是將來自H1總線網段的報文數據集合起來并且將H1地址轉化成為IP地址。
5  PROFInet
針對工業應用需求，將原有PROFIBUS與互聯網技術結合，形成了名為PROFInet的網絡方案。圖4表示了它的網絡結構。
PROFInet主要包含三方面的技術：一是基于通用對象模型（COM）的分布式自動化系統；二是規定了PROFIBUS和標準以太網之間的開放、透明通信；三是提供了一個獨立于制造商、包括設備層和和系統層的系統模型。

 
圖4  PROFInet的網絡結構示意圖

PROFInet的基礎是組件技術（component technology）。在PROFInet中，每個設備都被看作一個具有COM（component object module，組件對象模型）接口的自動化設備，同類設備都具有同樣的COM接口。在系統中通過調用COM接口來調用設備功能。組件模型使不同制造商遵循同一原則創建的組件之間能夠混合應用，簡化了通信編程。每一個智能設備中都有一個標準組件，智能設備的功能則通過對組件進行特定的編程來完成。同類設備具有相同的內置組件，對外提供相同的COM接口，為不同廠家的設備之間提供了良好的互換性和互操作性。COM對象之間還可通過DCOM連接協議進行互連和通信。
PROFInet采用標準TCP/IP以太網作為連接介質，采用標準TCP/UDP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM來完成節點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統PROFIBUS系統和新型的智能現場設備。現有的PROFIBUS網段可以通過一個代理設備（proxy）連接到PROFInet網絡當中，使整套PROFIBUS設備和協議能夠原封不動的在PROFInet中使用。傳統的PROFIBUS設備可通過代理proxy與PROFInet上面的COM對象進行通信。并通過OLE自動化接口實現COM對象之間的調用。
6  Ethernet/IP
EtherNet/IP（以太網工業協議）是主推Controlnet現場總線的Rockwell公司對以太網進入自動化領域做出的積極響應。Ethernet/IP網絡采用商業以太網通信芯片和物理介質，采用星形拓撲結構，利用以太網交換機實現各設備間的點對點連接。能同時支持10M和100M 以太網的商業產品。它的一個數據包最多可達1500個字節，數據傳輸速率可達10/100Mbps，因而采用EtherNet/IP便于實現大量數據的高速傳輸。

 
圖5  EtherNet/IP與OSI模型比較圖

圖5表示了EtherNet/IP與OSI模型的參照比較。它由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、以太網TCP/IP協議組和控制與信息協議（Control Information Protocol，CIP）3個部分組成。前面兩部分為標準的互聯網技術，其特色部分就是被稱作控制和信息協議的CIP部分。它是在1999年發布的，其開發目的是為了提高設備間的互操作性。它與在ControlNet和DeviceNet控制網絡中使用的CIP相同。在ControlLogix，PLC-5和SLC家族的所有EtherNet/IP產品都使用CIP通信。CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現信息的對等傳輸。其控制部分用來實現實時I/O通信，信息部分則用來實現非實時的信息交換。

圖6  LONWORKS/Ethernet網絡示意圖

EtherNet/IP的許多模塊有內置的網絡服務器，能支持HTTP功能。模塊、網絡和系統數據信息可以通過標準的網絡瀏覽器獲得。現有的EtherNet/IP產品能夠通過HTTP提供以下功能：讀/寫數據、讀診斷、發送電子郵件和編輯組態數據。
7  LONWORKS/Ethernet
圖6為LONWORKS/Ethernet網絡示意圖。該系統中的關鍵設備是i.LON 1000。i.LON 1000取代了傳統的網關設備而成為連接LONWORKS和以太網的橋梁。它將LONWORKS的報文打包，封裝在TCP/IP數據包中，然后在網絡上發送。當這個數據包通過以太網傳送到遠程的LONWORKS網段時，TCP/IP封裝被拋棄，LONWORKS數據包被重新放置在網絡上。這樣一個集成網絡使得系統的安裝、監視、故障診斷和維護會更加容易，使各節點之間有完全的連通性。在任何地方聯入系統便可與網段上的任一節點進行交互。
iLON 1000象其它普通以太網節點那樣具有自己的IP地址，其一端掛接在以太網上，另一端掛接在LONWORKS控制網段上。它還可以作為網絡服務器向Internet發布設備的實時信息，任何一個標準的網絡瀏覽器都可以通過IP對其進行訪問。
LONWORKS系統中一個節點的應用程序可以根據它從其他設備中獲得的有關系統信息做出自己的控制決策，以構成基于信息的控制系統。
8  結語
總之，許多有影響的現場總線都在致力于發展與互聯網的結合，如WorldFIP提出的FIPWEB Internet方案，在不影響實時通信的情況下將WorldFIP網段“透明”連接到Internet，并專門為此開發了IP包軟件與嵌入式HTTP服務器等。各種現場總線都在保護已有技術和投資的條件下拓寬自己的生存空間。互聯網技術已深深影響了控制網絡通信技術的發展，我國在開發自己的現場總線技術與產品時應充分注意到這一技術發展趨勢。但人們也應該清醒地看到，控制網絡通信有其本身的特點，并非是照搬互聯網技術可以完全替代的，需要發展適合自控應用需求的工業數據通信與網絡技術。