工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：分析了工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，指出工業(yè)以太網(wǎng)的介入使現(xiàn)場總線能更好的滿足實時控制的要求，提出了在現(xiàn)場總線中應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題，并給出了一個工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用實例。

一、前言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。

然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現(xiàn)場總線（FF）正在制定的國際標(biāo)準(zhǔn)［1］為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）和極具特色的用戶層［2］，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。當(dāng)人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式［3］,在實時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明［4］：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實用價值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)—工業(yè)以太網(wǎng)。二、工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，出現(xiàn)了兩個值得注意的發(fā)展方向［5］：以太網(wǎng)集線器和具有實時功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。1、以太網(wǎng)集線器　　FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)采用星型拓樸結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖中集線器（HUB）［6］置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場設(shè)備，其中實時現(xiàn)場儀表和普通現(xiàn)場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實時現(xiàn)場儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。

通常普通控制算法在現(xiàn)場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場執(zhí)行儀表。由于實時現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，所以保證了實時數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。

集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行優(yōu)先級設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動態(tài)檢測需要通訊的現(xiàn)場設(shè)備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現(xiàn)場設(shè)備的響應(yīng)時間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享［7］。

經(jīng)驗證［8］這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實時數(shù)據(jù)的延遲時間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場合的實時控制要求。2、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能　　一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實時功能，此項技術(shù)被稱為“地道”［9］，它其實僅僅是在設(shè)備中加入特殊的協(xié)議芯片，這里不做具體介紹。3、工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題　　上述研究工作的進展為以太網(wǎng)進入FCS提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中日益增長的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳輸種類（如語音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進展。目前的研究工作應(yīng)集中解決以下兩個方面的問題：（1）盡快推出 FCS國際標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)今的FCS領(lǐng)域出現(xiàn)了世界各大廠商各自為戰(zhàn)的混亂局面［10,11］。其中有影響的為Intel公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks等。這種混亂局面是由于各大廠商為了搶占市場急于推出自己的產(chǎn)品，而FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)又遲遲不能出臺所造成的。標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個個“自動化孤島”，不同系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的兼容性都很差。FCS的用戶強烈呼吁盡快出臺FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)，以期望實現(xiàn)FCS的“世界大同”。

1994年6月WorldFIP和ISP聯(lián)合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的著名控制儀表廠商在內(nèi)的100多個成員單位，致力于IEC的FCS國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)出臺，形成了FF的FCS國際標(biāo)準(zhǔn)難以“一統(tǒng)天下”的令人擔(dān)憂的局面。解決這一問題的途徑是：一是要求FF在其國際標(biāo)準(zhǔn)中推出完善的用戶層和嚴格的互操作性的產(chǎn)品認證；二是提高用戶抵制非國際標(biāo)準(zhǔn)的FCS的自覺性。（2）工業(yè)以太網(wǎng)向FCS現(xiàn)場級的延伸必須指出，圖1所示的工業(yè)以太網(wǎng)FCS中，其現(xiàn)場級總線的傳輸速度并不理想，這是因為工業(yè)以太網(wǎng)還只是在上層控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，而許多廠商出于安全考慮，在許多技術(shù)問題沒有解決之前，現(xiàn)場級尚未使用工業(yè)以太網(wǎng)，所以FCS總體的傳輸速度沒有什么質(zhì)的飛躍。為了實現(xiàn)以太網(wǎng)向現(xiàn)場級的延伸，除了改進以太網(wǎng)的通訊協(xié)議之外，還需要解決網(wǎng)絡(luò)的本安、現(xiàn)場設(shè)備的冗余和通過以太網(wǎng)向現(xiàn)場儀表供電等技術(shù)問題。

作者認為，在保留FCS特色的基礎(chǔ)上解決上述問題才能使工業(yè)以太網(wǎng)具有生命力。三、工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用實例

Bayer AG公司最近在其生產(chǎn)高度腐蝕性產(chǎn)品的化工廠中成功的在原現(xiàn)場總線（Profibus）的基礎(chǔ)上應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)［12］，并且把所有的現(xiàn)場設(shè)備、控制器件和個人計算機工作站集成為一個高度可靠、低耗和實時的控制系統(tǒng),系統(tǒng)最大限度使用了數(shù)字化通訊和分布式計算技術(shù)［13］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中主要的現(xiàn)場設(shè)備通過GE Field I/O連到控制系統(tǒng)，每個Field I/O可直接連接超過20個Foxboro Micro-I/A現(xiàn)場級控制子系統(tǒng)。Field I/O和Micro-I/A安裝在靠近現(xiàn)場的全封閉式安全柜中。Micro-I/A可進行邏輯控制、批量控制和連續(xù)控制。現(xiàn)場儀表通過Field I/O設(shè)備連到工業(yè)PC上（所有設(shè)備由西門子公司提供）。它除了進行邏輯控制和安全互鎖外，還能實現(xiàn)過程點所要求的普通控制算法。工業(yè)PC通過工業(yè)以太網(wǎng)和裝有Microsoft Windows NT操作系統(tǒng)的工作站進行通訊，在工作站保存高級控制算法，其控制輸出通過以太網(wǎng)下載到需要高級控制運算的現(xiàn)場儀表。Foxboro"s I/A系列工業(yè)軟件在工作站可為用戶提供報警、數(shù)據(jù)趨勢、歷史記錄、分析、報告和為操作者專門設(shè)計的可視化界面。四、結(jié)束語

工業(yè)以太網(wǎng)的介入為FCS的發(fā)展注入了新的活力，隨著FCS國際標(biāo)準(zhǔn)的推出以及有關(guān)技術(shù)問題的突破性進展，一個代表21世紀(jì)潮流的工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時代就會到來。