現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程
8種現(xiàn)場總線經(jīng)過14年的紛爭，最后IEC的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)投票，通過以下這8種現(xiàn)場總線成為IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即：FF H1，Control Net，PROFIBUS,INTERBUS，P-Net，World FIP，Swift Net，F(xiàn)F之高速Ethernet即HSE。其中，P-Net和Swift Net是專用總線；Control Net，PROFIBUS,Wold FIP和INTERBUS是PLC發(fā)展而來的；而FF和HSE是從傳統(tǒng)DCS發(fā)展而來的。這8種現(xiàn)場總線采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實(shí)現(xiàn)這些總線的兼容和互操作是十分困難的。
由于各生產(chǎn)廠商要盡可能地控制市場份額，保護(hù)各自過去的投資利益，經(jīng)過14年的長期急診而意見難以統(tǒng)一，于是各自退回原地，開展了一場保衛(wèi)各自“領(lǐng)地”的戰(zhàn)斗。目前，這8種現(xiàn)場總線都在各自修改其應(yīng)用層協(xié)議，支持IEC61784規(guī)范，爭取通過高層協(xié)議以達(dá)到相互兼容之目的
。如2002年完成工作，將使IEC61158成為一個(gè)基本統(tǒng)一的、由多部分組成的標(biāo)準(zhǔn)。
眾所周知，最早的氣動(dòng)單元組合儀表采用0.2~1.0N/cm2統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化氣動(dòng)信號(hào)，電動(dòng)單組合儀表采用4~20mA標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)互聯(lián)，任何廠家的產(chǎn)品均可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這兩代儀表系統(tǒng)都得到健康發(fā)展。面現(xiàn)場總線由于來自不同產(chǎn)品和生產(chǎn)廠家，經(jīng)14年?duì)幷撘矡o法達(dá)成統(tǒng)一，多標(biāo)準(zhǔn)等于無標(biāo)準(zhǔn)。市場迫切需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。只有通過制定新標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)，為了加快新一代系統(tǒng)的，人們開始尋求新的出路。
幾種可能的出路是：
出路一 各種現(xiàn)場總線統(tǒng)一到1~2種。IEC61158的產(chǎn)生本身就說明這種可能性很小。
出路二 開發(fā)所有現(xiàn)場總線通用的接口，成本較高且難度較大。
出路三 各國不理睬IEC61158，采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的協(xié)議。主不符合經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展趨勢。
出路四 采用已經(jīng)是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其在工業(yè)體育場成熟應(yīng)用，易于被廣大國家用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。
Ethernet在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用的若干問題
Ethernet進(jìn)軍工業(yè)自動(dòng)化的主要?jiǎng)恿κ牵孩俪杀镜停虎谒俣鹊奶岣撸蚱胀ū閼?yīng)用所形成的硬件資源、軟件資源和廣泛支持。Ethernet是世界上應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò)，超過93%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為Ethernet。
Ethernet用于工業(yè)自動(dòng)化有以下4個(gè)問題需要解決。
1． 實(shí)時(shí)性問題
實(shí)時(shí)性就是信號(hào)傳輸足夠快加上確定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求。Ethernet發(fā)展的現(xiàn)實(shí)是：
交換式100M Ethernet已廣泛應(yīng)用，能提供足夠的帶寬和減少?zèng)_突。
全雙工網(wǎng)絡(luò)和具優(yōu)先權(quán)的傳送機(jī)制得保證確定性。
典型的工業(yè)應(yīng)用，峰值負(fù)載為10M Ethernet的5%，在100M Ethernet網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為0.5%，而Ethernet只有當(dāng)負(fù)載達(dá)40%以上時(shí)才會(huì)有明顯的延遲現(xiàn)象。
在100M Ethernet網(wǎng)中，發(fā)送一個(gè)包延時(shí)超過2ms的狀況，5年也不會(huì)發(fā)生一次。美國電力研究院的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可保證4ms以內(nèi)。
2． Ethernet如何滿足現(xiàn)場環(huán)境問題
Ethernet所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾性能較差。若用于危險(xiǎn)場合，它不具備本安特性，也不具備通過信號(hào)線向現(xiàn)場儀表供電的性能。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定地工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschman公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器和交換機(jī)系列產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。
美國NET silicon公司研制的工業(yè)Ethernet通信接口芯片，每片價(jià)格已降至10~15美元，與各種現(xiàn)場總線芯片相比，具有很大的價(jià)格優(yōu)勢。
現(xiàn)在的工業(yè)Ethernet現(xiàn)場總線采用一種稱為連接裝置（linking device）類似帶開關(guān)的集線器結(jié)構(gòu)，很好地解決了Ethernet的時(shí)間確定性問題。目前，PROFIBUSDeviceNet,ControlNet和LonWorks等都打算使用Ethernet。這些公司都在研究通過隧道（Turnel）的簡單傳輸機(jī)構(gòu)，使用Ethernet傳送報(bào)文。
3． 在工業(yè)控制中使用Ethernet如何獲得技術(shù)支持。
由于采用與商用Ethernet相同的技術(shù)，因此具有最廣大的支持網(wǎng)絡(luò)和資源。
為了促進(jìn)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(huì)（www.lndustrial.Ethernet.com）和IAONA（www.iaona.com），并與美國ARC Advisory Group AMR Resesch研究中心和Gartnet Gronp、AMR Reseach研究中心和Gartner Group等機(jī)構(gòu)合作，開展工業(yè)Ethernet關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）正著手制定現(xiàn)場裝置與Ethernet通信的新標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)直接看到對象（object）。這些工作為Ethernet進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場級打下了基礎(chǔ)。
為適應(yīng)市場趨勢全球主要自動(dòng)化廠商和組織加強(qiáng)了工業(yè)Ethernet實(shí)現(xiàn)。
法國施奈德公司：4年前推出透明工廠戰(zhàn)略，使其成為工業(yè)Ethernet應(yīng)用的堅(jiān)決倡導(dǎo)者。ModbusTCP/IP（1998）是目前工業(yè)Ethernet事實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)Ethernet在傳感器和設(shè)備級的應(yīng)用。
德國門子公司：1998年發(fā)布工業(yè)Ethernet白皮書，并于2001年發(fā)布其工業(yè)Ethernet的規(guī)范，稱為PROFINET。
美國洛威爾自動(dòng)化公司：2000年發(fā)布工業(yè)Ethernet規(guī)范，稱為Ethernet/IP。
基金會(huì)現(xiàn)場總線FF：2000年發(fā)布工業(yè)Ethernet規(guī)范，稱為HSE。
4． Ethernet與網(wǎng)絡(luò)安全問題
在工廠運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不意味著工廠網(wǎng)絡(luò)一定要連接到互聯(lián)網(wǎng)。采用網(wǎng)絡(luò)的工廠，連入互聯(lián)網(wǎng)均使用TCP/IP。這樣就面臨互聯(lián)網(wǎng)類似的安全問題。
安全隱患：病毒、工業(yè)間諜、黑客、軟件BUG、恐怖主義。
黑客的動(dòng)機(jī)：金錢、信息、恐怖主義、破壞、政治等，工業(yè)現(xiàn)場相對較少吸引力。同時(shí)，黑客行為是高技術(shù)的，有費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢的代價(jià)。
物理連接管理提高安全性：PLC操作系統(tǒng)是專有的，不易受到黑客、病毒的侵略。
RAS、VPN提供遠(yuǎn)程訪問：硬件身份識(shí)別。
可提供多種安全機(jī)制：用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等。
隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，指紋、聲音等生物信息將提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。
基于TCP/IP的Ethernet在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用
Ethernet僅僅只有物理層和鏈路層規(guī)范，它通常與TCP/IP等平臺(tái)無關(guān)的協(xié)議結(jié)合應(yīng)用。我們所指的Ethernet實(shí)際上是指基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet，即Ethernet/IP
。過去，以生產(chǎn)PLC為主的公司都使用Ethernet完成信息級通信，其中，西門了公司的SIMATICNET將Ethernet應(yīng)用到車間級，并有向下層通信的趨勢。隨著FF HSE的開發(fā)成功，Ethernet將廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。特別令人感興趣的是，國際上有些公司已推出了完全以工業(yè)Ethernet為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，其工廠級、監(jiān)控級和現(xiàn)場級均采用基于TCP/P通信協(xié)議的工業(yè)Ethernet，配備Wed server功能，而且這種趨勢愈來愈明顯。人們預(yù)測，像當(dāng)年工業(yè)PC進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域一樣，Ethernet/IP將會(huì)十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制的各級網(wǎng)絡(luò)。
基于TCP/IP的Ethernet構(gòu)成的工廠網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是將工廠的商務(wù)網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了暢通的透明網(wǎng)絡(luò)，并與WEB功能相結(jié)合，與工廠的電子商務(wù)、物資供應(yīng)鏈和ERP等形成整體，這就是施奈德的透明工廠概念。
所謂透明工廠，即基于開放的Internet和Ethernet，實(shí)現(xiàn)：
開放的商業(yè)化技術(shù)的應(yīng)用OPC servers,Ethernet,Internet,IEC1131;
基于IT/Internet技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā) 嵌入式網(wǎng)頁服務(wù)器和瀏覽器提供對PLC數(shù)據(jù)的訪問時(shí)間和可視化；
采用開放的網(wǎng)絡(luò)策略 TCP/IP，物理層Ethernet；
創(chuàng)建現(xiàn)有的PLC作為“內(nèi)容提供商”嵌入式服務(wù)器插件和OPC server。
Ethernet及其應(yīng)用層協(xié)議――Ethernet/IP
按照互聯(lián)網(wǎng)參考的7層協(xié)議，Ethernet只提供了物理層和鏈路層協(xié)議，且通常與TCP/IP等協(xié)議結(jié)合應(yīng)用。由于應(yīng)用層協(xié)議不同，因此難以保證其互操作性。
傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）是Internet的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議。在商業(yè)領(lǐng)域，它的互操作性由Internet的應(yīng)用層的文件傳輸（FTP）、終端訪真（Telnet）、電子郵件（SMTP）和他公共協(xié)議保證；在自動(dòng)化領(lǐng)域，尚無標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層，各自動(dòng)化廠商都有自己的應(yīng)用層，如Mod bus Ethernet TCP/IP就是一種應(yīng)用層協(xié)議。
為了在不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)互操作，公共應(yīng)用層是。當(dāng)前，多個(gè)組織正在為工業(yè)自動(dòng)領(lǐng)域的
TCP/IP定義公共應(yīng)用層協(xié)議。特別是將Ethernet用于現(xiàn)場設(shè)備級，是當(dāng)前的熱點(diǎn)課題。例如，面向制造
自動(dòng)化的Ethernet，產(chǎn)生了一種基于控制和信息的協(xié)議（CIP）的新型Ethernet――工業(yè)實(shí)時(shí)Ethernet。
這是為傳輸控制協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)協(xié)議/協(xié)議（TCP/UDP/IP）定義的、基于主機(jī)/客戶機(jī)的控制和信息協(xié)議。
Ethernet的CIP稱為Ethernet/IP。
CIP是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的應(yīng)用層協(xié)議，提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設(shè)備操作的服務(wù)集。它采用用戶數(shù)據(jù)協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（UDP/IP）和傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）作為Ethernet網(wǎng)上的控制和信息協(xié)議，允許發(fā)送顯式（信息）和隱式（控制）報(bào)文。其中，隱式報(bào)文是對時(shí)間有苛刻要求的I/O信息（事件觸發(fā)、控制器互鎖等），通過UDP/IP完成的隱式報(bào)文中數(shù)據(jù)區(qū)包含實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)（CIP的控制部分）；顯式報(bào)文是無時(shí)間苛刻要求的點(diǎn)對點(diǎn)信息，可由TCP/IP完成（CIP的信息部分）。CIP向終端用戶提供了自動(dòng)化系統(tǒng)必不可少的控制、組態(tài)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)功能。為面向自動(dòng)化領(lǐng)域提供了Ethernet網(wǎng)上的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的互操作性和可換性。
最近，著名的工業(yè)通信技術(shù)國際組織――ODVA和PI在美國德州休斯敦新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)表公開信，聲稱他們迄今為止相互競爭的現(xiàn)場總線――以太網(wǎng)解決議案要在OPC建議的DX協(xié)議下彼此協(xié)調(diào)以推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。特別是就定義工業(yè)以太網(wǎng)的功能和互操作性達(dá)成共識(shí)，并將以下方面作為工作重點(diǎn)：IP地址即插即用互操作的通用策略、裝置描述和恢復(fù)機(jī)制；網(wǎng)絡(luò)診斷議案；指導(dǎo)使用WEB技術(shù)；一致性測試需求；產(chǎn)生一種應(yīng)用接口，以消除協(xié)議間的差異。
OPC DX是一個(gè)開放的解決議案，允許當(dāng)今市場上存在的標(biāo)準(zhǔn)：FF的HSE/H1、ODVA的CIP及PI的PROFINET相互并存。OPC DX標(biāo)準(zhǔn)提供了可互操作的數(shù)據(jù)交換和在以太網(wǎng)上報(bào)務(wù)器對服務(wù)器的通信。它是已存在的OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范的擴(kuò)充，它還擴(kuò)充了運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)共享交換及實(shí)時(shí)協(xié)議應(yīng)用的獨(dú)立性。利用擴(kuò)充的OPC接口，可以協(xié)調(diào)和互聯(lián)不同現(xiàn)場總線組織的不同協(xié)議。OPC DX規(guī)范和源碼在2001年12月份公布，來自多個(gè)生產(chǎn)廠商的原型在2002年4月出現(xiàn)。
Ethernet作為為總線的前景、困難以及對策
1． Ethernet作為現(xiàn)場總線的前景
自動(dòng)化系統(tǒng)和管理管理的進(jìn)一步融合，WEB技術(shù)和無線等應(yīng)用促使自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采用通用的Ethernet。
主流自動(dòng)化廠商對Ethernet工業(yè)應(yīng)用的積極態(tài)度將起到強(qiáng)大的推動(dòng)作用，同時(shí)也緩解總線之爭的負(fù)作用。
Ethernet本身的迅速發(fā)展，在性能人價(jià)格上還有很大的改善空間。
Ethernet，TCP/IP本身未解決互操作性問題，但為之鋪平了道路。
在單元和模板以上，Ethernet已具有優(yōu)勢。在傳感器級別，性價(jià)比還不具競爭力，有大小用之嫌。
在儀表等領(lǐng)域，Ethernet要滿足本安型應(yīng)用有一定難度，也很難滿足對儀表供電等要求。市場集中度進(jìn)一步提高，Ethernet有顯著增長。主要廠商目前的動(dòng)態(tài)表明，對Ethernet的預(yù)期仍然保守。
2． 促進(jìn)工業(yè)Ethernet應(yīng)用對中國產(chǎn)業(yè)界的影響及建議
由于國對總線之爭未付出大的代價(jià)，同時(shí)也沒有一種總線在中國占壓倒性優(yōu)勢，跟蹤并采用國際光先進(jìn)和技術(shù)可以發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，迅速縮短與發(fā)達(dá)國家的差距。
采用開放、免費(fèi)并且知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制的技術(shù)Ethernet和TCP/IP，可以節(jié)約資金，減少技術(shù)的領(lǐng)帶性，并有得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的開發(fā)。
減少專有網(wǎng)絡(luò)的影響，有利于形成公平的市場競爭環(huán)境有利于中國與國際接軌，降低項(xiàng)目投資費(fèi)用。采用Ethernet和TCP/IP等開放的技術(shù)，可以促進(jìn)WEB自動(dòng)化等更先進(jìn)技術(shù)的和模式在中國的應(yīng)用有得制造業(yè)中間件軟件市場的形成，為中國參與下一波國際技術(shù)競爭創(chuàng)造良好的條件。
