基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的控制網絡系統集成研究與設計

摘要：簡要分析了現場控制網絡系統在國內外的發展現狀，針對目前現場總線存在的一些問題，提出了基于Ethernet的多現場總線集成控制網絡系統結構。對于多現場總線網絡系統的無縫集成問題提出了兩種解決方案，并在Schneider實驗室驗證了方案一設計的可行性。

關鍵詞：現場總線；工業以太網；控制網絡；系統集成

中圖法分類號：TP393文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2006)09－0085－03

現場總線技術給控制系統體系結構帶來了一場深層次的革命，現場總線的發展使控制系統在網絡化發展的方向上向前邁進了一大步，將由FCS代替傳統的DCS[1]。但是，IEC在歷經多年爭斗與調解的努力之后，于2000年初宣布IEC61158，ControlNet，Profibus，PNet，FFHSE，SwiftNet，WorldFIP，InterbusS八種現場總線標準成為IEC現場總線國際標準子集。這一結果確實令人失望，也違背了制定世界上單一現場總線標準的初衷。由于各大公司和現場總線組織之間的利益爭斗在短時間內還無法結束，因此大多數人對于制定一個統一的國際現場總線標準失去了信心，相信在相當長的一段時間內工業控制通信領域依然是混亂復雜的局面。在這種情況下，工業以太網成為大家關注的焦點。與目前的現場總線相比，以太網(包括TCP/IP協議)有以下優點：應用廣泛、資源豐富；成本低廉、性價比高；兼容性好?；谝陨弦蛩兀I以太網成了目前工業控制領域網絡通信的主要研究和發展方向[2，3]。

目前，工業以太網的研究在國外尚處于研究初期階段，國際上成立了工業Ethernet協會（IndustrialEthernetAssociation，www.IndustrialEthernet.com），該協會與美國ARCAdvisoryGroup，AMRResearch研究中心和GartnerGroup等機構合作，開展工業Ethernet關鍵技術的研究。美國電子電氣工程師協會（IEEE）正著手制定現場裝置與Ethernet通信的新標準，該標準讓以太網直接延伸到現場，這些工作為Ethernet進入工業自動化的現場級打下了基礎。

為適應市場發展趨勢，全球主要自動化設備廠商和組織正在開發一些工業Ethernet標準，相應的各種基于以太網的工業通信標準也紛紛出臺，主要有[4~6]：

法國施耐德公司推出透明工廠戰略，使其成為工業Ethernet應用的堅決倡導者，ModbusTCP/IP是目前工業Ethernet事實的標準；

德國西門子公司發布其工業Ethernet規范，稱為ProfiNET；

美國羅克威爾自動化公司發布其工業Ethernet規范，稱為Ethernet/IP；

基金會現場總線發布HSE（高速以太網）；

日本三菱公司推出CCLINK。

目前工業以太網的發展主要有兩個方向：①按照OSI參考模型在TCP/UDP之上制定用戶層標準，用以太網設備替代原有的現場總線設備；②開發專用設備取代傳統的網關設備，用來連接以太網和現場總線專用網絡，從而實現現場數據到管理和監控層的傳輸。浙大中控聯合中科院、浙江大學、清華大學、大連理工大學、重慶郵電學院等研究制定了具有自主知識產權的《基于以太網的工業現場網絡通信協議標準》(EthernetforPlantAutomation，EPA)則屬于前一種。

盡管有一些國際標準化組織的支持和眾多廠商的研究與探索，但是已有的現場總線有它自己的市場定位，將來仍將保持這種狀況，或與工業以太網相結合。現場總線不可能完全被工業以太網所替代，但后者發展的巨大潛力決不容忽視，其應用領域定將不斷地得到擴展。針對目前我國的工業發展狀況，現場總線與工業以太網相結合更有現實意義。

（1）通常企業中央的各部門和各級管理部門所采用的是基于標準以太網結構的局域網絡。如果將包括PLC，DCS獨立的前嵌入式控制設備乃至現場總線等集成到以太網上，在企業的管理層進行數據交換，有著如下重要意義[7]：

①現場控制信息、生產信息與企業管理信息及時交換，方便了解企業的生產情況。

②有利于建立實時的信息庫，便于管理層的決策。

③便于建立分布式數據庫管理系統，為企業優化控制、生產調度、計劃決策提供依據。

④對網絡控制系統進行遠程監控、診斷與維護。

（2）事實上，現場總線協議本身不可能使整個企業實現自動化。盡管所有的控制模式均可以用功能塊輕松地組態完成，但不是所有的控制策略都是僅用功能塊就能完成的，如互鎖、邏輯、時序等需要使用IEC11313標準語言組態完成的。因此，完整的控制系統還應包括PLC及遠程I/O設備。

（3）以太網正逐步向現場控制級深入發展，并盡可能地與其他網絡形式融合。但EthernetTCP/IP起初并非是為控制領域而設置的，在體系結構、協議規則、物力介質、數據處理傳送、軟件以及適應的環境等諸多方面與成熟的自動化解決方案，如PLC，DCS，FCS相比存在很大的差異，要在完全意義上的融合困難重重。因此，其他控制形式與以太網保留各自的優點，互為補充的方案是目前以太網進入控制領域最經濟、最常見的解決方案。

多種現場總線存在，其特點各有千秋。它們之間可互操作性、可互換性并不徹底，不同廠家的產品仍舊不能互換。目前尚沒有那種能完全適用于所有領域的現場總線出現。而DCS，PLC等技術已經很成熟，并且得到廣泛應用。能否將多種現場總線及PLC，DCS集成在一起是當今工業控制研究領域工作的當務之急。

1基于Ethernet的多現場總線控制網絡系統結構

綜上所述，應用以太網技術，基于實時數據庫并結合ModbusTCP/IP協議，OPC接口規范，通過軟件編程的方法將多種現場總線及PLC，DCS集成在同一以太網上，形成基于Ether－net的多現場總線綜合網絡控制系統。其系統結構如圖1所示。

該系統由現場總線、PLC、嵌入式控制器、工業控制計算機、工作站、數據庫服務器、Web服務器、遠程訪問服務器、網關設備、交換式以太網組成。圖1中，系統以網絡交換機為中心，采用星型拓撲結構。其中現場總線實現智能現場儀表與設備的互連，只要網關設備允許，系統中可以容納多種現場總線。PLC有兩種接入方式，帶以太網接口的PLC可以直接掛接到交換式集線器上；而不帶以太網接口的PLC則可以通過與其相連的工業PC接入網絡交換機或集線器。嵌入式控制器可以通過自帶的以太網接口接入到網絡中。DCS系統與上層客戶應用間的數據交換通過數據采集工作站連接到以太網上，然后集中在數據庫平臺上進行數據處理。

在功能上，交換式以太網實現計算機與網關、集線器之間的高速互連；監控工作站用于工業監控組態、網絡管理和設備組態監控；數據庫與Web服務器提供網絡服務、記錄數據。多種智能儀表和先進控制技術可以在實時數據庫平臺上集成，并通過企業信息網與ERP系統連接，提供生產實時數據，增加企業管理、生產調度的實時性。而且，交換式以太網可以采用冗余結構以提高可靠性。

該控制網絡系統的特點是，系統的通信建立在以太網TCP/IP協議的基礎上，通過網關將各種現場總線集成在一起，以實現系統的集成。當計算機向現場儀表設備發送信息時，它首先通過以太網和TCP/IP協議將相應的信息發送給網關，然后由網關根據現場總線協議發送給響應的現場儀表或設備。另外，還可以通過OPC（OLEforProcessControl）接口規范與應用程序實時交換數據。相反，現場儀表或設備有信息需要發送給計算機時，需要網關作為代理，通過以太網和TCP/IP協議向上發送給相應的計算機。這樣，相應的信息還可以通過Internet進行遠程訪問和控制。

信息網絡與控制網絡的互連，一般通過網關或路由器進行連接。由于控制網絡的特殊性，這里的網關、路由器與一般商用網絡中的不同，它要求容易實現IP地址的編址和異構網絡數據格式及協議的轉換。

2基于Ethernet的多現場總線控制網絡的集成設計

系統的集成主要解決的是通信的兼容問題，而解決該問題的關鍵在于控制過程中對數據的訪問有一個開放的通信結構而不是數據類型的統一。系統集成的最終解決方案應當是采用統一的協議標準。但是協議的制定關系到各廠商的利益，因而困難重重，至今尚未制定出。通信的兼容問題一直是系統集成設計的關鍵問題，針對本系統結構提出了兩種集成方法。

基于以太網的多現場總線網絡控制系統實現最關鍵的是：如何實現控制網絡中存在異構網段情況下的網絡集成，例如，系統中的DCS網絡與FCS網絡的集成以及多種現場總線的集成。我們知道，DCS屬于非開放式專用網絡，DCS主機是DCS系統的控制、通信中心。而本系統的控制網絡體系中，整個DCS系統將作為一個特殊的子網存在，DCS主機則是一個普通的節點。在此，采用Modbus設備作網關將DCS專用網絡掛接在Ethernet上，Modbus設備與DCS之間數據交換是通過基于Modbus協議的串口通信進行的。對于多種現場總線的集成，則通過自行設計的網關來實現。以下就以Modbus與Modbus/TCP兩種總線的集成為例，闡述本系統集成的方法。

在Schneider實驗中，實現了Modbus/TCP（以太網）和Modbus（串口通信）兩種協議的總線與PC機的通信，但這兩種總線上掛接的設備只識別相應自身支持的協議數據格式。那么這兩種總線上的設備之間如何通信，也就是這兩種總線設備如何集成到一個系統中，是我們系統集成所關心的問題。系統集成主要有兩種方法，一種是采用網關；而另一種是依靠轉換接口（專用PC機）中的軟件。針對系統集成中采用網關的設計提供了兩種方案。

方案一應用我們自行編制的一套通信程序，帶以太網接口的Modbus/TCP設備，如Quantum系列PLC，PC機通過以太網與其通信；而對于不帶以太網接口的設備，如TSXPremiumPLC，應用Modbus協議，PC機通過串口（RS232/485）與其通信。并且將這兩種通信程序封裝成DLL組件（名為Modbus－TCP.dll和Modbus.dll）注冊到系統中。由于用這兩種協議采集來的數據具有各自的格式，如從Modbus/TCP數據報上取到的數據是十六進制數，而從Modbus數據報上取到的數據是ASCII碼形式的字符串，因此在程序中結合相應的算法，將這兩種數據格式轉換成同一種格式，然后存放到數據庫中。

在Schneider實驗中，以Quantum系列PLC為對象，作了Modbus設備與Modbus/TCP設備通信間的測試。由于Quantum系列PLC既帶有以太網接口又帶串口，因而設備均選用Quantum系列PLC；轉換接口選用商用PC機。其接線如圖2所示。

在試驗系統測試過程中，PC機通過基于Modbus協議的通信程序成功地將數據（圖3中的數據“125”）寫入PLC中，而客戶端通過基于Modbus/TCP協議的通信程序成功地讀取數據（圖4中的數據“125”）。可見上述方法能完成兩種不同的總線設備間的通信。

圖3基于Modbus協議的串口通信運行界面

圖4基于Ethernet+Modbus/TCP協議的通信運行界面

Modbus設備與Modbus/TCP設備通信過程：①Modbus設備調用服務器的Modbus.dll，將信息發送到服務器中；②應用相應的算法，將字符串轉換成數值，再將ASCII轉換成十六進制，把數據打包成Modbus/TCP數據報；③調用ModbusTCP.dll將數據傳送到總線上，這時正在監聽狀態的Modbus/TCP設備判斷是否是發送給自己的數據報，若是，則進行數據處理；若不是，則傳給下一個節點，進入輪詢狀態。反之，信息傳送過程也基本一樣。

可見，這兩種總線的設備件數據交換，要經歷拆包、數據轉換、再打包這樣的一個過程，運行起來比較煩瑣，對于多種總線的大型應用，要進行數據轉換有一定的難度，算法比較復雜，速度比較慢。因而提出了另外一種方法——采用OPC技術（即方案二）。

方案二采用統一的接口規范——OPC技術[8]。用OPCServer來屏蔽從不同網絡中的設備采集來的數據格式，客戶端通過OPCClient接口對OPCServer寫入或讀取數據。圖5為系統軟件體系結構示意圖。

圖5中，支持Modbus/TCP協議的現場設備（帶以太網接口）的信息，通過以太網經由基于Modbus/TCP協議的OPCServer1接入控制層的以太網；支持Modbus協議的現場設備（串口設備），通過RS485/232和基于Modbus協議的OPCServer2掛接到控制層的以太網上;而對于現場總線（Profibus）上掛接的智能設備則通過基于相應總線協議的OPCServer3（如Profibus）掛接到控制層的以太網上，這樣不同總線上的設備以統一的接口規范（OPC規范）的數據格式接入以太網，而對于客戶端以OPC規范讀取或者寫入數據。根據OPC基金會對OPC傳輸效率結果表明，在本地及兩臺計算機之間，5000個過程變量的變化值能夠在1s之內從OPC服務器端傳送到客戶端，而對于500個變量，只需100ms左右?？梢姴捎眠@種方法進行數據交換、速度快、效率高，能滿足實時性要求。

圖5只是以Modbus/TCP、以太網、Modbus、Profibus為例來說明基于OPC技術的軟網關實現方法，相應的其他總線接入系統可以采用類似的方法。

3結論

主要針對混合現場總線集成問題進行深入研究，提出了基于Ethernet的多現場總線集成控制的網絡系統結構，并提出了兩種實現控制網絡系統集成方法：①依靠轉換接口（如PC機）中的軟件來完成數據包的識別、解釋和轉換，基于實時數據庫管理系統，通過網卡實現系統的集成；②采用OPC接口規范，屏蔽異構網絡中現場設備數據格式和協議的差別。其中，第一種方案已在Schneider實驗室得以驗證。

工業以太網進入控制領域的趨勢不可阻擋，發展的巨大潛力決不容忽視，其應用領域定將不斷地得到擴展。但是已有的現場總線有其自己的市場定位，將來仍將保持這種狀況，或與工業以太網相結合。針對目前我國的工業發展狀況，現場總線與工業以太網相結合更有現實意義。

參考文獻：

［1］郝曉弘，馬向華.論現場總線控制系統[J].自動化與儀表，2001，16（3）：15.

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［6］AdrianBachofen，DanielKoch.IntegratingIndustrialEthernetandInternet[Z].TheIndustrialEthernetBook，2002.

［7］鄭文波.控制網絡技術[M].北京：清華大學出版社，2001.

［8］OPCFoundation.OPCSpecifications[EB/OL].Http//www.opcfoundation.org，200412.

作者簡介：

吳麗珍(1974)，女，福建人，講師，碩士，主要研究方向為現場總線與網絡控制技術；

郝曉弘（1960），男，甘肅人，教授，博導，主要研究方向為現場總線與網絡控制技術、電機控制技術。