吉明鵬：寶鋼集團(tuán)梅山鋼鐵股份有限公司

    1  概述

    工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是指應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的以太網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展最直接的原因主要有兩方面：一方面是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在不同層次間傳送的信息已變得越來越復(fù)雜，對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的開放性、互連性、帶寬等方面提出了更高的要求；另一方面是以“全數(shù)字化特性”著稱的現(xiàn)場總線技術(shù)至今還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中自上（如信息管理層、控制層）而下（如現(xiàn)場設(shè)備層）真正透明的信息互訪和集成。

    EtherNet/IP是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，充分的利用了現(xiàn)有的商用以太網(wǎng)的技術(shù)、芯片以及物理介質(zhì)。在梅山鋼鐵公司2#高爐控制系統(tǒng)中，EtherNet/IP就得到了充分的應(yīng)用。

    梅鋼2#高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)分為槽下系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)及高爐本體系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用4套ControlLogix5555冗余系統(tǒng)，考慮到距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)多、抗干擾等因素，控制層采用了Control Net網(wǎng)絡(luò)類型，抗干擾性好，網(wǎng)絡(luò)通道冗余，保證可靠通訊。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為總線型主、子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，既減少了主網(wǎng)的通訊量，保證了人機(jī)界面的數(shù)據(jù)顯示，又有利于子網(wǎng)快速的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。HMI軟件采用羅克韋爾的RSView SE軟件，RSView SE是一種用于管理級(jí)監(jiān)視和控制應(yīng)用系統(tǒng)的HMI軟件，它具有分布式和可升級(jí)的架構(gòu)，支持分布式服務(wù)器/多用途的應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用冗余服務(wù)器＋客戶端的結(jié)構(gòu)，各個(gè)操作員站與服務(wù)器之間采用了冗余的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

    2  EtherNet/IP的協(xié)議

    EtherNet/IP同時(shí)支持隱式報(bào)文（實(shí)時(shí)I/O控制數(shù)據(jù)）和顯式報(bào)文（信息交換）。EtherNet/IP作為一種開放的網(wǎng)絡(luò)，它使用了一系列現(xiàn)有的成熟技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)；以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）和工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；利用CIP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)I/O控制和點(diǎn)對點(diǎn)的信息交換。

    同基于CIP協(xié)議的DeviceNet和ControlNet網(wǎng)絡(luò)一樣，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)也采用了生產(chǎn)者/消費(fèi)者網(wǎng)絡(luò)通訊模式，隨著以太網(wǎng)交換技術(shù)和全雙工數(shù)據(jù)傳輸方式的應(yīng)用，以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)沖突將明顯減少，從而使EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的性能得到了顯著的提高。

    3  EtherNet/IP用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)

    3.1 工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性

    為了滿足工業(yè)過程控制技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)必須具有很高的實(shí)時(shí)性。但是，長期以來，Ethernet通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一。

    眾所周知，以太網(wǎng)采用沖突檢測載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問CSMA/CD機(jī)制解決通訊介質(zhì)層的競爭，其工作原理是：當(dāng)站點(diǎn)欲傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，首先偵聽電纜；如果鏈路正被其他站點(diǎn)使用，該站點(diǎn)就等到鏈路空閑為止，否則就立即傳輸。如果兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)在空閑的鏈路上開始傳輸，就發(fā)生沖突；于是所有沖突站點(diǎn)終止傳輸，運(yùn)行二進(jìn)制后退算法，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后，再重復(fù)上述過程。由此可見，以太網(wǎng)本質(zhì)上的確是不確定性的。這里的“不確定”是指數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)和時(shí)延的“不可預(yù)測和再現(xiàn)”。

    但隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加（10/100/1000Mbps），沖突機(jī)率大大減小，加之相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸趨于確定性。

    在工業(yè)以太網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的機(jī)制主要包括如下幾個(gè)方面：

    (1)采用交換式集線器；

    (2)使用全雙工（Full-Duplex）通信模式；

    (3)采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)；

    (4)質(zhì)量服務(wù)（Qos）。

圖 1 高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

    3.2 工業(yè)以太網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量（Qos）

    IP Qos是指IP的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service），也是指IP數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。它的目的就是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。它是一套度量指標(biāo)，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。

    Qos是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制。在正常情況下并不需要Qos，但是當(dāng)出現(xiàn)精心設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)也能造成性能影響的事件時(shí)就十分必要。在工業(yè)以太網(wǎng)中采用Qos技術(shù)，可以為工業(yè)控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信提供一種保障機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時(shí)，Qos能夠確保控制數(shù)據(jù)傳輸不受延遲和丟棄，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

    擁有Qos的網(wǎng)絡(luò)是一種職能網(wǎng)絡(luò)，它可以區(qū)分實(shí)時(shí)－非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在工業(yè)以太網(wǎng)中，可以使用Qos識(shí)別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級(jí)的采樣數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，優(yōu)先得到處理并轉(zhuǎn)發(fā)，而其它擁有較低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，如管理層的應(yīng)用類通信，則相對被延后。職能網(wǎng)絡(luò)還有能力制止對網(wǎng)絡(luò)的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元終端等，這對于工業(yè)以太網(wǎng)的完全性提升有重要作用。

    3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存性

    網(wǎng)絡(luò)生存性，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制時(shí)必須具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可用性，即任何一個(gè)系統(tǒng)組件發(fā)生故障，不管它是硬件還是軟件，都會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序甚至整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力非常弱。因此，為了使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)間最大化，需要一個(gè)可靠的技術(shù)來保證在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和改進(jìn)時(shí)系統(tǒng)不發(fā)生中斷。

    工業(yè)以太網(wǎng)的生存性或高可用性包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

    (1)可靠性

    在基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)成了相關(guān)裝置的核心，從I/O功能模塊到控制器中的任何硬件都是網(wǎng)絡(luò)的一部分。網(wǎng)絡(luò)硬件把內(nèi)部系統(tǒng)總線和外部世界連成一體，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)軟件驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槌绦虻膽?yīng)用提供必要的邏輯通道。系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合使得可靠性成了自動(dòng)化設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

    (2)可恢復(fù)性

    當(dāng)以太網(wǎng)系統(tǒng)中任一設(shè)備或網(wǎng)段發(fā)生故障而不能正常工作時(shí)，系統(tǒng)能依靠事先設(shè)計(jì)的自動(dòng)恢復(fù)程序?qū)嚅_的網(wǎng)絡(luò)連接重點(diǎn)鏈接起來，并將故障進(jìn)行隔離，已使任一局部故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也不會(huì)影響生產(chǎn)裝置的正常生產(chǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)定位故障，以使故障能夠得到及時(shí)修復(fù)。

    (3)可管理性

    可管理性和可維護(hù)性也是高可用性系統(tǒng)最受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。通過對系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的在線管理，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)緊急情況，并使得故障能夠得到及時(shí)的處理。可管理性一般包括性能管理、配置管理、變化管理等過程。

    3.4 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全

    工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用不但可以降低系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本，還可實(shí)現(xiàn)工廠自上而下更緊密的集成，并有利于更大范圍的信息共享和企業(yè)綜合管理；但同時(shí)也帶來了網(wǎng)絡(luò)安全方面的隱患。以太網(wǎng)和TCP/IP的優(yōu)勢在于在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及良好的開放性，可是與傳統(tǒng)的專業(yè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相比，也更容易受到自身技術(shù)缺點(diǎn)和人為的攻擊。對于工業(yè)以太網(wǎng)，采取的基本安全技術(shù)主要有三個(gè)方面：

    (1)加密技術(shù)

    (2)鑒別交換技術(shù)

    (3)訪問控制技術(shù)

    4  總結(jié)

    在梅鋼2#高爐控制系統(tǒng)中，EtherNet/IP的可確定性，實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)安全性得到了充分的應(yīng)用。該自動(dòng)控制系統(tǒng)自2004年3月投入使用以來，經(jīng)過2年多的應(yīng)用實(shí)踐，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，它的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性極大地方便了操作人員對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，工程師的維護(hù)工作，大大減少了故障停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。