摘要:分析和總結(jié)了當(dāng)前存在的各種工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),指出了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向;系統(tǒng)地闡明了應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)及相應(yīng)的解決方案;指出了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)解決方案1現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀現(xiàn)場總線是安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的
摘要:分析和總結(jié)了當(dāng)前存在的各種工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),指出了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向;系統(tǒng)地闡明了應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)及相應(yīng)的解決方案;指出了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)解決方案
1現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀
現(xiàn)場總線是安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動化裝置之間的數(shù)字式串行多點通信的數(shù)據(jù)總線,是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCs)是一種全數(shù)字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng)川。由于采用了全數(shù)字化技術(shù),Fcs極大地簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁雜的布線工作量,并使系統(tǒng)檢測和控制單元的分布更加合理。與傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)(DCS)相比,FCS具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性好,以及實現(xiàn)了管控一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點。
現(xiàn)場總線技術(shù)需要處理自動化行業(yè)千變?nèi)f化的現(xiàn)場儀表設(shè)備,需要實現(xiàn)不同廠家、不同種類產(chǎn)品的互連,現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作顯得至關(guān)重要。為此,IEC(國際電工委員會)于1984年提出制訂現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IECI158(即IEC6ll58),它的目標(biāo)是制訂面向整個工業(yè)自動化的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,各國的大公司都投人了大量人力、物力、財力,在市場上展開了激烈的競爭,產(chǎn)生了幾十種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議有許多共同之處,又有各自的特色和技術(shù)細節(jié),同時也代表了一些跨國大公司和大集團的商業(yè)利益。IECTC65于1999年12月通過了IEC6ll58國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),它包含了8種類型:
類型1IEC技術(shù)報告(即FFHI);
類型2ControlNet(美國Roekwell公司支持);
類型3Profibus(德國Siemens公司支持);
類型4P一Net(丹麥而eessnata公司支持);
類型5FF一HSE(即原FFHZ,美國FisllerR0se-mount公司支持);
類型6SwiftNet(美國波音公司支持);
類型7worldFip(法國Alstom公司支持);
類型8Interbus(德國PhoenixContraet公司支持)。
再加上IEC/TC17B通過的3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn) SDS、ASI與DevieeNet,以及15011898的CAN,現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多。除此之外,一些國家還
有其國家標(biāo)準(zhǔn),如英國的ERA、挪威的FINT等。一些國際的大公司也推出自己的標(biāo)準(zhǔn),如日本三菱的CC-Link、施耐德公司的Modbus等。
從目前情況來看,現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展還存在諸多問題,最主要的是沒有一個統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn);而且由于支持不同現(xiàn)場總線的集團間利益的沖突等原因,近期產(chǎn)生統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是不可能的。由于不同現(xiàn)場總線的通信協(xié)議有很大差異,要實現(xiàn)不同總線產(chǎn)品互連非常困難,這不但使FCS的開放性、分散性和可互現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)操作性等特點難以體現(xiàn),且用戶使用不便、工程造價提高,因此給FCS的推廣和應(yīng)用帶來不利的影響。
現(xiàn)場總線可能的出路,可采用已經(jīng)通用的國際標(biāo)準(zhǔn)EthernetTCP/IP等協(xié)議,并使之符合工業(yè)現(xiàn)場的要求,從而易于被廣大國家用戶、集成商和制造商所接受。
2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀
所謂工業(yè)以太網(wǎng),一般指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE8o2.3)兼容。但在產(chǎn)品設(shè)計時,在媒質(zhì)的選用,產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、電磁兼容性和本質(zhì)安全方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場需要的網(wǎng)絡(luò)。
1983年,IEEEsoZ委員會推出的以美國施樂公司、數(shù)字設(shè)備公司、英特爾公司提交的DlxEthametvZ為基礎(chǔ),又叫做具有CSM刀CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)的網(wǎng)絡(luò),是一種介質(zhì)訪問控制技術(shù)閉。
TCP/IP協(xié)議是多臺相同或不同類型計算機進行信息交換的一套通信協(xié)議,是以太網(wǎng)的協(xié)議族。以太網(wǎng)是TCP/IP使用最普遍的物理網(wǎng)絡(luò),實際上TCP/IP技術(shù)支持各種局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
由于如下幾點原因,以太網(wǎng)技術(shù)正在逐步進入工業(yè)自動化領(lǐng)域。
(l)近年來,自動化技術(shù)的發(fā)展使人們逐步認(rèn)識到,單純提高生產(chǎn)設(shè)備單機自動化水平,并不一定給整個企業(yè)帶來好的效益;因此,企業(yè)給出的更高要求是將整個工廠作為系統(tǒng)實現(xiàn)其自動化及最佳經(jīng)濟效益。
(2)工廠底層設(shè)備狀態(tài)、信息集成、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為滿足上層管理對底層設(shè)備信息的要求,底層設(shè)備狀態(tài)及信息集成是實現(xiàn)工廠F燈CIMS的基礎(chǔ)。
(3)工業(yè)過程采集的數(shù)據(jù)量越來越多,其傳輸速率要求也越來越高;而FCS速度較低,支持的應(yīng)用有限,不便于與英特網(wǎng)信息集成。
(4)由于各種現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一,也無法兼容,不能真正實現(xiàn)透明信息互訪,無法實現(xiàn)信息的無縫集成。
(5)各種現(xiàn)場總線都是專用的實時通信網(wǎng)絡(luò),成本較高,且速度也較慢,支持的應(yīng)用也非常有限,不便與英特網(wǎng)信息集成。
鑒于以上各種原因,使一部分人自然轉(zhuǎn)向在IT行業(yè)已獲得成功的以太網(wǎng)技術(shù)。如法國施耐德公司1998年推出的 透明工作 (ModbusTCP/IP)使其成為工業(yè)Ethemet的倡導(dǎo)者[s];德國西門子公司2001年發(fā)布其工業(yè)Ethemet規(guī)范(Profinet);2口漢〕年美國Roerwell公司推出EtherNe口IP和基金現(xiàn)場總線FF推出的HSE等等。
3以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵問題及技術(shù)
3.1環(huán)境適用性、可靠性、安全性
眾所周知,工業(yè)環(huán)境要求抗振動、沖擊;氣候環(huán)境要求適應(yīng)溫度變化,并耐腐蝕、防塵、防水;電磁環(huán)境要求電磁兼容性EMC符合EN50081一和EN50082一標(biāo)準(zhǔn)。針對這些環(huán)境適應(yīng)性要求,工業(yè)以太網(wǎng)都采用工業(yè)級的電子元器件。其具有耐腐蝕、防塵、防水、加固型盯一45.DB一、航空接頭等的接插件,雙冗余的電源供方式,DIN導(dǎo)軌的安裝方式,滿足EN50081-2.ENS(X)82一電磁兼容。如美國Syne吧etie微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann公司等專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌集線器、收發(fā)器和交換機產(chǎn)品,安裝在標(biāo)準(zhǔn)的DIN導(dǎo)軌上,并在冗余電源供電,接插件采用牢固的DB習(xí)結(jié)構(gòu)。美國W以記haadConnectivity公司開發(fā)和生產(chǎn)了用于工業(yè)控制現(xiàn)場的加固型連接器;國內(nèi)也有此類產(chǎn)品,如東土電信的心EN系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機;臺灣地區(qū)的四零四科技在2002年6月推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品 MOXAEtherDevieeServer(工業(yè)以太網(wǎng)服務(wù)器),特別設(shè)計了用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)接口的工業(yè)設(shè)備。
3.2工業(yè)以太網(wǎng)的通信確定性和實時性
以太網(wǎng)通信響應(yīng)的不確定是它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點和主要障礙之一。眾所周知,以太網(wǎng)采用CSM燈CD機制解決通信介質(zhì)層的競爭通路,這種機制使得以太網(wǎng)不是本質(zhì)上的實時性網(wǎng)絡(luò);而且由于沖突的存在使得以太網(wǎng)具有不確性,甚至發(fā)生頻繁的碰撞,導(dǎo)致某些節(jié)點數(shù)據(jù)幀的丟失。
隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,在確定性速度和優(yōu)先法則方面得到了很大的提高,越來越能滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。近幾年來,交換式以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了以太網(wǎng)的確定性:利用交換技術(shù),可以將一個較大的網(wǎng)絡(luò)分隔成為各自相對獨立的沖突域,使沖突只能在一個相對較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生;具有數(shù)據(jù)存儲的功能,使各級端口之間輸人和輸出的數(shù)據(jù)幀得到緩沖;還可以對網(wǎng)絡(luò)上的傳輸數(shù)據(jù)進行過濾,使每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)間點數(shù)據(jù)的傳輸只能在本地網(wǎng)段內(nèi)進行,降低了主干網(wǎng)的負荷;另外,以太網(wǎng)的通信速率從roM、looM增大到如今的1以X)M、IG,在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下,速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小,即網(wǎng)絡(luò)沖突概率的大大下降;全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(光纖)上分別同時接收和發(fā)送報文幀,也不會發(fā)生沖突。所以,工業(yè)以太網(wǎng)的通信確定性和實時性大大提高。
3.3網(wǎng)絡(luò)安全性
工業(yè)以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議,因此可能會受到包括病毒、黑客的非法人侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。
對此,一般可采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理;另外也可實施控制區(qū)域微網(wǎng)段化,各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡(luò)隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干網(wǎng)相連,實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò)隔離。
3.4總線供電技術(shù)問題
所謂總線供電是指連接到現(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)備提供電源。對需要防爆隔離的危險場所,總線供電的意義十分重要;而Ether-net原來主要用于商業(yè)場所,沒有總線供電的要求。
目前可采用直接電源禍合、電源冗余管理等總線供電技術(shù)實現(xiàn)總線供電的以太網(wǎng)集線器。另外,可以在以太網(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)制到直流或低頻交流上,在現(xiàn)場再將這兩種信號分離出來;但必須注意,修改后的物理層協(xié)議應(yīng)與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)兼容。
3.5互操作性問題
互操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進行通信與互用、互換。它是開放系統(tǒng)的主要特征。它為用戶提供了一個更大的市場選擇機會,而且決定了這一通信技術(shù)能否被廣大自動化設(shè)備制造商、集成商所接受,是否可進行大面積推廣和應(yīng)用。
以太網(wǎng)(xEEE802.3)只映射到150/0517層模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,TCP/IP只映射到網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,對較高的會話層、表示層、應(yīng)用層沒有作技術(shù)規(guī)定。而RFC組織文件中的應(yīng)用層協(xié)議,如文件傳送協(xié)議也僅僅制訂了應(yīng)用程序該如何操作,以太網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠家還必須根據(jù)這些文件定制專用的應(yīng)用程序。
要解決基于以太網(wǎng)的工業(yè)設(shè)備之間的互操作問題,行之有效的方法是在以太網(wǎng)+TCP(uDP)月P協(xié)議的基礎(chǔ)上,制定統(tǒng)一的并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范;同時參考IEC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在應(yīng)用層上增加用戶層,將各種工業(yè)控制的功能塊進行標(biāo)準(zhǔn)化,便于實現(xiàn)不同制造商設(shè)備的混合組態(tài)與互相調(diào)用。
3.6網(wǎng)絡(luò)的可維護性和可恢復(fù)性
網(wǎng)絡(luò)的可維護性是高可用性系統(tǒng)的焦點。通過對系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的在線管理,可及時發(fā)現(xiàn)情況,并使故障及時得到處理。
為了提高網(wǎng)絡(luò)的可維護性,我們可通過提高可靠性設(shè)計來提高現(xiàn)場設(shè)備的可靠性,也可采用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);另外,還可采用智能化的現(xiàn)場設(shè)備,對現(xiàn)場設(shè)備進行在線監(jiān)視、診斷、維護管理。
可恢復(fù)性是指以太網(wǎng)系統(tǒng)中的任一設(shè)備或網(wǎng)段發(fā)生故障而不能正常工作時,系統(tǒng)能依靠預(yù)先設(shè)計的自恢復(fù)程序?qū)嚅_的網(wǎng)絡(luò)重新鏈接起來,并隔離相應(yīng)的故障段;同時系統(tǒng)能自動定位故障,以使故障能得到及時修復(fù)。
3.7本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)問題
在工廠現(xiàn)場,尤其是化工、石油、煤礦等工業(yè)現(xiàn)場,不可避免地存在易燃、易爆、有毒等危險因素。對應(yīng)用于這些工業(yè)設(shè)備的裝置,必須采取一定的防爆與隔爆措施來保證安全。
對本質(zhì)安全可采用抑制點火能量作為手段,且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、造價低、適用面廣,并可在帶電情況下進行維護和更換。實現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)是低功耗技術(shù)和本質(zhì)安全防爆技術(shù)。本質(zhì)安全包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機、轉(zhuǎn)輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行器等。而目前以太網(wǎng)收發(fā)器的本身功耗都較大 一般為60一70mA(SV),因此,基于工業(yè)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。
在目前的技術(shù)條件下,對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆、防爆的措施比較可行?？蓪σ蕴W(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備采取增安、氣密、澆注等隔爆措施,使設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的電火花能量不會外泄,以保證系統(tǒng)使用的安全性。
3.8遠距離傳輸技術(shù)問題
通用以太網(wǎng)的傳輸速度一般為10Mb/s,looMh/,,l xx〕Mb/s,信號在媒介中傳輸時總存在著衰減和失真。然而,在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場,由于生產(chǎn)裝置一般都比較復(fù)雜,各種測量和控制儀表位置分散,彼此距離也較遠,采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計以太網(wǎng),使用roBase一T雙絞線就顯得不夠;而使用roBase一或10Base一5同軸電纜則不能進行全雙工通信,而且布線成本高。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,光纜的成本已經(jīng)越來越低。鑒于此,在設(shè)計一個工業(yè)以太網(wǎng)時,我們可以在中控室和各控制域之間采用光纖連成主干雙冗余環(huán)網(wǎng),各控制域的交換機到現(xiàn)場設(shè)備采用屏蔽雙絞線或屏蔽同軸電纜,把交換機安裝到靠近現(xiàn)場設(shè)備的位置。這樣不僅解決了骨干網(wǎng)的遠距離通信問題,而且由于光纖具有良好的電磁兼容性,大大提高了主干網(wǎng)的抗干擾能力和可靠性,也為將來網(wǎng)絡(luò)的擴展、速度的提升留下足夠的技術(shù)空間。這種方案在作者參與設(shè)計的金雨高速公路隧道監(jiān)控工程中已得到應(yīng)用。
4工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景
隨著以太網(wǎng)通信速度的提高,全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展,IEC正著手起草實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),旨在推動以太網(wǎng)在過程控制中的應(yīng)用。種趨勢,在國家 863 計劃的支持下,以浙江大學(xué)、浙大中控為主,聯(lián)合中科院沈陽自動化研究所、清華大學(xué)等,開展了EPA的技術(shù)研究,重點研究以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)。該項研究在實時通信、總線供電、遠距離傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全、可靠性等方面已取得了一定的成果;并在以上成果的基礎(chǔ)上起草了E以國家標(biāo)準(zhǔn)《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)》,通過了IEC/TC124組織的評審,得到IEC/Sc65(國際電工理事)95.8%國家的贊成。
為了促進Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,國際上成立了工業(yè)Ethernet協(xié)會和IAONA,并與美國ARC研究中心和GartnerGroup等機構(gòu)合作,開展了工業(yè)Ethemet關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)也在研究現(xiàn)場裝置與Ethemet通信的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)可讓網(wǎng)絡(luò)直接看到對象。
據(jù)美國權(quán)威機構(gòu)ARC報告,今后以太網(wǎng)不僅繼續(xù)在商業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)通信市場和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)市場占壟斷地位,而且也必然領(lǐng)導(dǎo)未來現(xiàn)場總線的發(fā)展,Ethoet和TcP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。另據(jù)美國VDC調(diào)查報告,Ethemet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛,市場占有率的增長也越來越快 將從2儀舊年的11%增加到2005年23%。雖然目前以太網(wǎng)在過程工業(yè)控制中的應(yīng)用還存在著許多問題,但隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展與完善,這些問題肯定將得到解決,應(yīng)用也會越來越廣泛。
作者已經(jīng)將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到金雨高速公路隧道機電工程中。實踐證明,在不遠的將來,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將直接應(yīng)用于工業(yè)控制,并將在工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中起到非常重要的作用。
