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胡 俊

1  引言

    一般人們將企業的網絡劃分為四層（如圖1所示） :管理信息層（ERP網絡）、實時信息層（SCADA/DCS實時/歷史數據網絡）、過程控制層（PLC/DCS網絡）和現場層（Sensor/Actuator網絡）。廣義的系統集成概念或者叫垂直集成，包括了企業各層的完全網絡化,這意味著,所有必要的管理信息和設備信息，這些過去只在CEO的電腦上才能看到的信息，在任何一個制造島和任何一臺設備上都可以得到，這就允許企業的決策可以快速、準確地在按企業業務流程中應該進行決策的地方―現場一一制定。

圖1  企業網絡的層次

    今天各種標準化軟件的使用意味著在一個企業內部可以訪問和得到各種信息。開放性主要是通過各種應用之間數據接口的標準化實現的。以太網作為一個標準和TCP/IP或UDP/IP協議，允許通信沒有介質中斷地跨越所有的層次。在這樣的網絡中，關于數據傳輸、存儲和處理的全局標準化解決方案可以很方便的得到實現。

    近年來，大的工業項目中以太網被廣泛采用并將網絡連接一直延伸到現場層。在制造島或標準用戶界面上都提供了對所有信息的快速訪問。這種連續實現的解決方案帶來了所需要的更具動力的企業流程，并大大提高了生產力。

2  標準化是降低成本的鑰匙

    在控制層和實時信息層的通過數據網絡連接，可以將設備或工廠劃分成多個功能單元，基于這些功能單元進行開發和制造。這種模塊化的布局可以縮短測試過程，加快系統的實現，并允許重復使用這些單元乃至整個工程。以太網作為標準解決方案還降低了接口數量。另外，在不同總線和網絡之間的互聯要求額外的投資和大量的專有技術，而通過采用以太網和標準化的協議可以消除對這一點的要求。

    采用這種標準化解決方案的項目的前期準備時間被大大縮短了。這對于工廠投資者來說不僅帶來了資本的快速產出，而且大大節約了工程實現成本。對一個集成系統來講，系統集成商采用不同的接口將不同制造商的設備集成在一起。但是只有不依賴于制造商而采用標準化接口的設備才能適應這種需要，并提供更好的解決方案。因此，標準化是降低成本的鑰匙。

3  高可用性和網絡安全性

    自動化系統可以大概分為三個部分：現場設備、控制職能和網絡。網絡，這塊今天仍然是屬于控制工程師的領地，是自動化系統的骨干。對網絡的要求來源于自動化的過程對象和生產設備本身。因此，在過程控制級對網絡的特殊要求包括實時性、高可用性、發生故障時的快速自動重新組態、數據傳輸的安全性、冗余和以及對EMC、溫度和抗震性能的環境要求。

    以太網標準本身允許在總線上的數據包沖突，因為它采用的是CDMA/CD的介質訪問機制。但是隨著以太網技術的發展，人們可以通過采用全雙工交換機消除這種數據包沖突，實現以太網的實時性。交換機通過將接收到的數據在發送之前存儲在內部緩沖區內非常短的時間解決了這個問題。現在人們正在研究如何將以太網標準擴展到滿足“硬”實時的要求。這一實時性要求可通過將確定的傳輸時間和時間同步機制相結合加以實現。目前IEEE WG 1588工作組正在開發一個算法以實現小于一個微秒的同步精度。按照赫斯曼電子公司基于IEEE1588在他們的交換機上的測試結果，同步的標準時間偏差累計小于100ns。它已經完全可以滿足“硬”實時的要求。

    網絡的長期可用性對于生產制造來講是至關重要的。除了采用良好設計和配置的工業級設備以外，實現這一點的關鍵還包括網絡結構的冗余。采用封閉環形結構的網絡和冗余管理可以保證在發生故障時的網絡快速自動重新組態。這種快速自動重新組態不同于采用生成樹/快速生成樹算法的辦公室網絡冗余。對于分布式環形結構的重新組態時間要小于500ms才可滿足制造過程的要求。而生成樹算法超過30s的重新組態時間對于過程控制來講將會帶來一場災難。

    此外，對于辦公室網絡來講在重負載情況下短暫地丟失個別數據包是沒有什么問題的。辦公室網絡設備，尤其是那種低價的設備，是按成本進行優化的，而不是按數據傳輸的安全性進行的優化。反之，對于實時自動化系統，選擇的網絡設備必須滿足數據包的立即傳送而且不丟包，對于網絡重新組態過程的要求也是如此。

    隨著與企業網絡的集成，以太網這個詞也鼓勵著IT部門介入到控制過程的網絡結構和設備的選擇。然而在這一點上，過程自動化工程師更能理解他們所需要的特殊要求，因此自動化網絡的規劃和設計更應該由自動化工程師來實現，而不是讓位給IT部門。

4  以太網將取代現場總線

    盡管以太網的發展令人鼓舞，而以太網在工業現場的應用仍然處在初級階段。進一步研究可以發現，這對于其他數據通信手段，包括現場總線，也是一樣的。現有的常用現場總線解決方案還將繼續存在一段時間，現場總線專家和以太網專家也將同時并存。但是，采用以太網實現的垂直集成將強化對現場設備數據接口的要求，進而促進除了測量值、控制輸出和運行狀態之外的一些擴展功能的實現，乃至可以通過網絡實現對設備的遠程維護。

    以太網正逐漸滲透到生產領域的過程控制和現場層，這一發展趨勢是不可逆轉的。而且可以看到這個趨勢有一個明顯的自我激勵的動力，它基于網絡實現現場設備的集成并且逐步取代現場總線―這對于用戶產生了很大的好處。目前，只有二進制傳感器和執行器的集成還采用專用的現場總線，如ASI和DeviceNet，它們再通過接口模塊或主設備集成到網絡或本地控制單元。隨著智能傳感器和執行器的系統效率的提高，在不遠的將來它們也將通過以太網集成到控制系統中。這樣做的好處在于可以實現對所有層的無介質中斷的訪問。這就是為什么TCP/IP已經成為大多數制造商工業網絡解決方案的協議層標準。

5  開放的應用層標準

    應用層協議的標準化對開放的解決方案是一個非常關鍵的先決條件。這將允許更多來自不同生產商的設備、控制器和軟件相互無縫集成。應用層的統一標準化將最終實現工業網絡各層的全面集成。

    今天，已經可以通過采用來自于不同生產商的特定系統解決方案實現垂直集成。以太網和TCP/IP或UDP/IP協議不僅廣泛用于企業網絡的集成，而且一直延伸到工業生產的控制系統的互聯，甚至已經有智能設備可以通過以太網直接實現集成。但是在工業以太網的應用層存在各種不同的標準，包括EtherNet/IP和CIP sync、Ethernet Powerlink、 EtherCAT、JetSync、Modbus/TCP、PROFInet、SERCOS-III、HSE、Safeethernet等等。這些技術雖然都是基于以太網的平臺，即在物理層和數據鏈路層支持同樣的技術，可以互聯但不能互通。而從用戶的利益出發，需要一個統一的開放的應用層標準。

    任何從事現場設備數據通信開發的人都會記得在國際標準化時不同現場總線之間的“爭執”。最終的妥協表明現場總線標準化幾乎包括了所有的不同方案。對于工業以太網來講存在同樣的問題，基于一種技術和一個通用的全球標準加速工業以太網技術發展的機會已經堵死了。

6  結語

    綜上所述，工業以太網正位于現場總線、統一的開放標準和辦公網絡的交叉火力點。通過在大項目上快速而又廣泛地實現工業以太網，用戶已經實施和建設全面集成的過程解決方案。工業以太網解決方案的實現已經為工業應用樹立了提高生產率、更具動力的企業過程、投資的快速回報以及優化和通用的典范。而用戶也越來越注意到他們的能力和利益是在制造商和系統集成商之上的，并要求和建立網絡和協議的開放標準。