工業以太網現場控制技術的發展

聶新年

（馬鋼股份有限公司粉末冶金公司，安徽馬鞍山243000）

1 現場總線簡介

1.1 現場總線的定義

現代制造型企業信息化一般可劃分為三層：

（1）計劃層，以ERP（企業資源計劃）或ERPⅡ為代表；

（2）執行層，以MES（制造執行系統）為代表；

（3）控制層，如PLC等自動化硬件以及現場總線控制系統等。

隨著技術的發展，車間控制層從單機自動化的時代，已經過渡到工廠自動化（FA）時代。對工廠自動化或車間自動化來說，工業現場的所有設備和控制裝置，必須有一種雙向互聯的通信技術連接到一起，來解決智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信，以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。這種通信系統，就是現場總線，也稱現場網絡。IEC（International Electrotechnical Commission，國際電工委員會）對現場總線的定義為：現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。IEC 61158標準包括8 種類型的現場總線，如 ControlNet、Profibus、PNet、SwiftNet、Interbus等。

1.2 應用中的局限性

現場總線技術應用中還存在以下局限性：

（1）現場設備計算能力較低，控制集中，難以實現全分散控制；

（2）現場總線位于系統的底層，開放性不足，數據通信存在瓶頸，難以與上層信息系統集成；

（3）各種類型的現場總線之間存在較大差異，不能實現互操作，不同總線之間難以集成；

（4）現場總線中的控制器運行相對獨立，難以實現信息共享，導致系統整體實時性不強。

而工業以太網技術，正好可以彌補以上不足，并在現場控制中得到了廣泛應用與迅速發展。事實上，工業以太網已經成為一種新的現場總線標準。

2 基于工業以太網的現場總線

2.1 以太網及工業以太網技術介紹

以太網最早出現在上世紀70年代，是一種總線式局域網，采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，載波監聽多路訪問/沖突檢測）協議，1985年，IEEE 802委員會吸收以太網標準為IEEE 802.3標準，以太網是現有局域網采用的最通用的通信協議標準，包括在局域網中采用的電纜類型和信號處理方法。以太網在互聯設備之間以100~1000 Mbps甚至更高的速率傳輸信息包。以太網組成的網絡節點分為兩大類：

（1）數據終端設備，如工作站、服務器、智能設備等；

（2）數據通信設備，接收和轉發網絡中數據包，如中繼器、交換機和路由器等。

早期以太網一般采用總線型拓撲結構，現在多為星型拓撲結構。總線型結構采用分布式媒體訪問控制方法，主干故障會造成全網癱瘓，站點較多時，數據沖突增多造成低效率。星型拓撲結構采用集中式媒體訪問控制方法，結構簡單，實現容易，信息延遲確定。

工業以太網在技術上和商業以太網（即IEEE 802.3標準）兼容，傳輸對象主要為工廠控制信息，要求有很強的實時性與可靠性；在使用上，要滿足工業現場的環境要求，如：耐高溫、耐腐蝕、防塵、防水、電磁兼容性EMC應符合EN 50081-2、EN 50082-2標準、安裝方便等[3]。

2.2 工業以太網的應用優勢

以太網的最初設計并未考慮工業應用，但由于以太網標準應用廣泛、成本低廉、接口方便，在工業現場控制中迅速發展。一方面彌補了現有總線技術的不足，另一方面也使得工業以太網控制技術越來越成熟，與現場總線相比，其最大的優點就是結構簡單、經濟實用，易為人們所掌握，以太網支持的傳輸介質為同軸電纜、雙絞線、光纖等。以太網是一種標準開放式網絡，遵從TCP/IP協議，相關技術支持全面，兼容性好，一些硬件如路由器、交換機均已成為通用設備，有著廣泛的技術支持，成本相當低廉，企業當中不同廠商的設備通過以太網很容易實現互聯，而且工業以太網又能與辦公以太網輕易實現無縫集成。此外，由于以太網是當今應用最為廣泛的計算機網絡技術，通用的編程語言基本都支持以太網的應用開發，這就極大方便了用戶的后期維護與技改工作。由于以太網支持幾乎所有的網絡協議，能夠直接與Internet實現互聯，所以工業現場通過以太網可以便捷的實現遠程控制、共享遠程數據庫資源。從這點來說，無論是實施CIMS，還是企業管理信息化整合，工業以太網都將作為有力的支撐，是現場控制的首選技術。

3 現場控制的現存問題

3.1 可靠性不足

工業以太網與標準以太網相比，為滿足工業現場的需要，需達到以下要求：

（1）環境適應性，包括機械特性（耐振動、沖擊）、環境特性（工作溫度、耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁兼容性等。

（2）數據傳輸可靠性，以太網的典型通訊特點是隨機接入、載波偵聽、碰撞檢測和沖突競爭。目前以太網技術發展十分迅速，傳輸速度從早期l0 Mbps發展到目前的1000 Mbps，并開始引入流量控制機制，但由于采用沖突競爭的傳輸方式，其同樣具有傳輸不確定性的特點，亦即從理論上講，任何變量都不能完全確保在規定時間內發送成功[7]。

3.2 存在實時性差，不確定性問題

工業以太網需要確保數據傳輸的實時性，這點與商業應用不同。工業控制對實時性的要求是硬性的，常常涉及生產設備和人員安全。由于傳統的以太網是采用CSMA/CD的訪問控制機制，這種訪問機制只確定信號傳輸路徑，并不區分信號的優先級，所以存在數據排隊延遲不確定的缺陷。每個網絡節點要通過競爭來取得信息包的發送權，通信時節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息；此外如檢測到信息發生碰撞，還需要退出重發。因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應的確定性，不能滿足工業過程控制在實時性上的要求，從而制約了其在工業控制中的應用。工業以太網的實時性，目前主要是由以下幾點保證：限制工業以太網的通信負荷，采用1000 Mbps的快速以太網技術提高帶寬，采用交換式以太網技術和全雙工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD機制。

3.3 安全問題

以太網本質上不是一個安全的系統，采用TCP/IP協議使其在與其他網絡連接時獲得極大的便利，但也同時帶來了較為嚴重網絡安全問題。網絡中的病毒、黑客入侵與非法操作，都必須加以嚴密防范。常見的攻擊有病毒攻擊與MAC攻擊，病毒攻擊會產生大量數據流入工業以太網，加大了它的通信負荷，影響實時性。工業以太網交換機通常是二層交換機，網絡依賴MAC地址保證數據的正常轉發，如果MAC地址和該端口的映射關系失效，交換機就會停止正常的網絡傳輸過濾。在傳統工業以太網中，上下級網段采用不同的協議，并使用防火墻防止來自外部的非法訪問，不同網段之間不實現互操作。但現代企業信息化中，越來越多的需要利用工業以太網將控制層和管理層連接起來，上下級網段使用相同的協議，并具有互操作性，這時就要使用兩級防火墻，第二級的防火墻用于屏蔽內部網絡的非法訪問和對不同權限的合法用戶授權。此外要采取嚴格的權限管理措施，由于工廠應用專業性很強，進行權限管理能有效避免非授權操作。目前，IT網絡的安全技術相對豐富和成熟，在控制層的工業以太網一方面可以借鑒這些安全技術，但是同時必須保證工業以太網的數據包快速轉發，提高實時性。在防止關鍵信息竊取方面，由于工業以太網發送的多為周期性的短信息，所以可采用較為安全的非對稱密碼體制。

4 發展趨勢

4.1 高效性

工業以太網的高效性包括穩定性、實時性和安全性等方面。穩定性，指網絡設備對工業環境的適應性，對高溫、振動、潮濕等惡劣環境有完備的電氣防護；實時性和安全性，是每一個工業以太網設備生產廠家都十分關注的問題。目前通過QoS（Quality of Service，服務質量）機制，使重要的數據能夠優先傳輸，可以有效地提高系統的實時性，支持HTTPS和SSH協議，允許數據在加密的格式下傳輸，可以提升系統的安全性。此外，MAC地址鎖定、地址過濾、過濾廣播信號、VLAN、VPN及帶寬管理等多種技術，都對提高系統的安全性和實時性有一定的幫助。在2009漢諾威工業博覽會（Hannover Fair 2009）上，德國Harting公司推出了Ha-VIS“快速軌道交換”技術，實現將所有自動化信號繞過標準以太網存儲轉發結構直接通過交換機，如果當交換機正在處理一個IT信號時，一個工業信號被發送過來，那么前者的處理過程將被立即中斷，讓工業現場信號優先傳輸，直到該信號完全通過了交換機，IT信號才會重新開始傳輸。使用該技術的交換機，能夠與標準以太網完美契合，從而保證了現場級的確定性數據傳輸[2]。

4.2 端到端的QoS與組播技術

雖然以太網的帶寬越來越大，但不斷出現的新業務和應用，對帶寬的要求也越來越高，僅僅提高帶寬已經無法滿足應用的要求，也無法保證傳輸的高效性。如何保證網絡應用端到端的QoS，已成為現今以太網面臨的最大挑戰，網絡應用迫切需要設備對QoS的支持向邊緣和接入層次發展。在過去，網絡中高QoS價格昂貴，但是隨著ASIC（專用集成電路）技術的發展，使低端設備具備強大的QoS能力成為可能，網絡的QoS已經從集中保證逐漸向端到端保證過渡。組播作為一種與單播并列的傳輸方式，其意義不僅在于減少網絡資源的占用，提高擴展性，還在于利用網絡的組播特性，方便地提供一些新的業務。隨著網絡中多媒體業務的日漸增多，組播的優越性和重要性越來越明顯。協議的完善將促進組播應用的發展，在商業以太網中，組播技術研究已經非常成熟，工業以太網可以充分利用現有的組播技術并轉變為應用。

此外，以太網的分布式控制、交換機的智能識別與轉發、交換機與路由的融合等技術，也是以太網的發展趨勢[8]。

5 結束語

可以看出，雖然工業以太網用于現場控制仍存在不足之處，但由于其標準的開放性，接口方便，成本低廉，深受用戶歡迎。以太網使用廣泛，技術上能得到持續支持與改進，在工業現場控制中可持續發展潛力巨大。

[1]翟 諾，趙 琳，申 敏.工業以太網在工業控制中應用的探討[J].信息技術，2009，(6)：160-162.

[2]Michael Babb.標準辦公室以太網與工業以太網融合的解決方案[J].軟件，2009，(10)：6.

[3]王 琳.以太網技術在工程上的應用[J].中國儀器儀表，2009，(11)：81-83.

[4]李國厚.以太網在工業控制中的應用綜述（一）[J].可編程控制器與工廠自動化，2006，(3)：15-16.

[5]李國厚.以太網在工業控制中的應用綜述（二）[J].可編程控制器與工廠自動化，2006，(4)：12-16.

[6]繆學勤.現場總線技術的最新進展[J].自動化儀表，2000，(6)：1-4.

[7]芶建兵.工業網絡中以太網可靠性探討[J].自動化博覽，1999，(6)：26-28.

[8]工業以太網技術發展趨勢淺析[DB/OL]http://info.machine.hc360.com/2009/11/25082882447-5.