胡 俊

1  引言

    一般人們將企業(yè)的網(wǎng)絡劃分為四層（如圖1所示） :管理信息層（ERP網(wǎng)絡）、實時信息層（SCADA/DCS實時/歷史數(shù)據(jù)網(wǎng)絡）、過程控制層（PLC/DCS網(wǎng)絡）和現(xiàn)場層（Sensor/Actuator網(wǎng)絡）。廣義的系統(tǒng)集成概念或者叫垂直集成，包括了企業(yè)各層的完全網(wǎng)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(yè)的決策可以快速、準確地在按企業(yè)業(yè)務流程中應該進行決策的地方―現(xiàn)場一一制定。

圖1  企業(yè)網(wǎng)絡的層次

    今天各種標準化軟件的使用意味著在一個企業(yè)內(nèi)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(shù)據(jù)接口的標準化實現(xiàn)的。以太網(wǎng)作為一個標準和TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，允許通信沒有介質(zhì)中斷地跨越所有的層次。在這樣的網(wǎng)絡中，關(guān)于數(shù)據(jù)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(xiàn)。

    近年來，大的工業(yè)項目中以太網(wǎng)被廣泛采用并將網(wǎng)絡連接一直延伸到現(xiàn)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(xù)實現(xiàn)的解決方案帶來了所需要的更具動力的企業(yè)流程，并大大提高了生產(chǎn)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(shù)據(jù)網(wǎng)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(fā)和制造。這種模塊化的布局可以縮短測試過程，加快系統(tǒng)的實現(xiàn)，并允許重復使用這些單元乃至整個工程。以太網(wǎng)作為標準解決方案還降低了接口數(shù)量。另外，在不同總線和網(wǎng)絡之間的互聯(lián)要求額外的投資和大量的專有技術(shù)，而通過采用以太網(wǎng)和標準化的協(xié)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(chǎn)出，而且大大節(jié)約了工程實現(xiàn)成本。對一個集成系統(tǒng)來講，系統(tǒng)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(wǎng)絡安全性

    自動化系統(tǒng)可以大概分為三個部分：現(xiàn)場設備、控制職能和網(wǎng)絡。網(wǎng)絡，這塊今天仍然是屬于控制工程師的領地，是自動化系統(tǒng)的骨干。對網(wǎng)絡的要求來源于自動化的過程對象和生產(chǎn)設備本身。因此，在過程控制級對網(wǎng)絡的特殊要求包括實時性、高可用性、發(fā)生故障時的快速自動重新組態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⑷哂嗪鸵约皩MC、溫度和抗震性能的環(huán)境要求。

    以太網(wǎng)標準本身允許在總線上的數(shù)據(jù)包沖突，因為它采用的是CDMA/CD的介質(zhì)訪問機制。但是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過采用全雙工交換機消除這種數(shù)據(jù)包沖突，實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時性。交換機通過將接收到的數(shù)據(jù)在發(fā)送之前存儲在內(nèi)部緩沖區(qū)內(nèi)非常短的時間解決了這個問題。現(xiàn)在人們正在研究如何將以太網(wǎng)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(jié)合加以實現(xiàn)。目前IEEE WG 1588工作組正在開發(fā)一個算法以實現(xiàn)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(jié)果，同步的標準時間偏差累計小于100ns。它已經(jīng)完全可以滿足“硬”實時的要求。

    網(wǎng)絡的長期可用性對于生產(chǎn)制造來講是至關(guān)重要的。除了采用良好設計和配置的工業(yè)級設備以外，實現(xiàn)這一點的關(guān)鍵還包括網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的冗余。采用封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡和冗余管理可以保證在發(fā)生故障時的網(wǎng)絡快速自動重新組態(tài)。這種快速自動重新組態(tài)不同于采用生成樹/快速生成樹算法的辦公室網(wǎng)絡冗余。對于分布式環(huán)形結(jié)構(gòu)的重新組態(tài)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(tài)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(wǎng)絡來講在重負載情況下短暫地丟失個別數(shù)據(jù)包是沒有什么問題的。辦公室網(wǎng)絡設備，尤其是那種低價的設備，是按成本進行優(yōu)化的，而不是按數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩赃M行的優(yōu)化。反之，對于實時自動化系統(tǒng)，選擇的網(wǎng)絡設備必須滿足數(shù)據(jù)包的立即傳送而且不丟包，對于網(wǎng)絡重新組態(tài)過程的要求也是如此。

    隨著與企業(yè)網(wǎng)絡的集成，以太網(wǎng)這個詞也鼓勵著IT部門介入到控制過程的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡的規(guī)劃和設計更應該由自動化工程師來實現(xiàn)，而不是讓位給IT部門。

4  以太網(wǎng)將取代現(xiàn)場總線

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

    以太網(wǎng)正逐漸滲透到生產(chǎn)領域的過程控制和現(xiàn)場層，這一發(fā)展趨勢是不可逆轉(zhuǎn)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(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場設備的集成并且逐步取代現(xiàn)場總線―這對于用戶產(chǎn)生了很大的好處。目前，只有二進制傳感器和執(zhí)行器的集成還采用專用的現(xiàn)場總線，如ASI和DeviceNet，它們再通過接口模塊或主設備集成到網(wǎng)絡或本地控制單元。隨著智能傳感器和執(zhí)行器的系統(tǒng)效率的提高，在不遠的將來它們也將通過以太網(wǎng)集成到控制系統(tǒng)中。這樣做的好處在于可以實現(xiàn)對所有層的無介質(zhì)中斷的訪問。這就是為什么TCP/IP已經(jīng)成為大多數(shù)制造商工業(yè)網(wǎng)絡解決方案的協(xié)議層標準。

5  開放的應用層標準

    應用層協(xié)議的標準化對開放的解決方案是一個非常關(guān)鍵的先決條件。這將允許更多來自不同生產(chǎn)商的設備、控制器和軟件相互無縫集成。應用層的統(tǒng)一標準化將最終實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡各層的全面集成。

    今天，已經(jīng)可以通過采用來自于不同生產(chǎn)商的特定系統(tǒng)解決方案實現(xiàn)垂直集成。以太網(wǎng)和TCP/IP或UDP/IP協(xié)議不僅廣泛用于企業(yè)網(wǎng)絡的集成，而且一直延伸到工業(yè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)的互聯(lián)，甚至已經(jīng)有智能設備可以通過以太網(wǎng)直接實現(xiàn)集成。但是在工業(yè)以太網(wǎng)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(shù)雖然都是基于以太網(wǎng)的平臺，即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層支持同樣的技術(shù)，可以互聯(lián)但不能互通。而從用戶的利益出發(fā)，需要一個統(tǒng)一的開放的應用層標準。

    任何從事現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)通信開發(fā)的人都會記得在國際標準化時不同現(xiàn)場總線之間的“爭執(zhí)”。最終的妥協(xié)表明現(xiàn)場總線標準化幾乎包括了所有的不同方案。對于工業(yè)以太網(wǎng)來講存在同樣的問題，基于一種技術(shù)和一個通用的全球標準加速工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的機會已經(jīng)堵死了。

6  結(jié)語

    綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)正位于現(xiàn)場總線、統(tǒng)一的開放標準和辦公網(wǎng)絡的交叉火力點。通過在大項目上快速而又廣泛地實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)，用戶已經(jīng)實施和建設全面集成的過程解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的實現(xiàn)已經(jīng)為工業(yè)應用樹立了提高生產(chǎn)率、更具動力的企業(yè)過程、投資的快速回報以及優(yōu)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(tǒng)集成商之上的，并要求和建立網(wǎng)絡和協(xié)議的開放標準。