工业以太网控制网络技术.ppt
本程序能够完成应用程序的初始化、数据读入、数据输出所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠,8 工业以太网技术,8.1 工业以太网技术的发展现状,性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面。1通信确定性与实时性工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。2稳定性与可靠性Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。,此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。3工业以太网协议为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet+TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。从目前的趋势看，以太网进入工业控制领域是必然的，但会同时存在几个标准。现场总线目前处于相对稳定时期，已有的现场总线仍将存在，并非每种总线都将被工业以太网替代。伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内也不会完全统一，会同时存在多个协议和标准。,工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和TCP/IP技术真正能应用到控制层，延伸至现场层，而在信息层又尽可能采用IT行业一切有效而又最新的成果。因此，工业以太网与以太网在工业中的应用全然不是同一个概念。1IDA的通信结构和通信协议IDA（the Interface for Distributed Automation）是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，将一种实时的基于web的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案。2Ethernet/IP的通信结构和通信协议ODVA除了拥有DeviceNet和ControlNet，还控制另一个总线EtherNet/Industrial Protocol（EtherNet/IP），它把处于应用层和用户层的DeviceNet和ControlNet的目标库CIP（Control and Information Protocol，包含了所有经典的PLC运算）与以太网物理介质捆绑在一起。,8.2 工业以太网的主要标准,BootP-Bootstrap Protocol,(因特网)自引导协议DHCP-Dynamic Host Configuration Protocol，TCP/IP动态主机配置协议,图8-46 IDA的协议栈,IDA的协议栈如图8-46所示。,图8-47 EtherNet/IP通信协议模型,EtherNet/IP通信协议模型如图8-47所示。,3PROFInet的通信结构和通信协议在PROFInet的第一次公布的版本中，提供了一种非确定性的控制层的结构，有点类似于PROFIBUS网络。在PROFInet V1.0中大大地加强了商用以太网、TCP/IP与UDP/IP以及Microsoft的DCOM、OPC，还有XML的作用。这样，有些背离了传统PROFIBUS的结构，但实际上很好地嵌入了Siemens近来所采取的基于组件自动化的策略。在2003年推出的新版本PROFInet V2.0中，将通过实时通道（旁路掉TCP/IP协议栈）加进实时的功能。如图8-48所示，它在数据链路层采用了旨在减小处理通信栈所需时间的一种传输协议，从而极大地缩短了网络的刷新时间，确保刷新时间在510ms。实时通道除了可进行循环传输外，还可完成非循环（事件触发、过程数据修改、操作指令下达等）传输。同时还要加入网络管理、web功能，以及直接集成I/O设备等。,4HSE的通信结构和通信协议美国的FF（现场总线基金会）采用高速以太网开发FCS系统控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用H1现场总线，构成信息集成开放的体系结构。HSE遵循标准的以太网规范。,图8-48 PROFInet V2.0的实时数据优化通信通道,FF在其规范中规定了21种功能块，供基本过程控制和先进过程控制使用。这些标准功能块驻留在与HSE相连的现场设备中，只要通过组态就予以链接。为进行复杂的批处理和混合控制等应用，FF还规定了柔性功能块，支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集，并可用作与PLC和其他协议通信的网间连接器。综上所述，我们可以得出这样一个结论：HSE工业以太网为连续的过程控制工业和断续的制造业所需的连续实时控制提供了各种的解决方案。它为连续过程控制系统、断续制造的控制系统、批量控制系统以及MES、ERP等企业信息管理系统的集成，提供了一种相当成熟的工业以太网的标准协议。HSE的通信栈如图8-49所示。,FBAP VFD 1,OD,FBAP VFD n,DHCP,SNMP,SNTP,图8-49 HSE的通信栈,工业以太网，一般来讲技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网络。与商用以太网相比，工业以太网在以下方面具有特殊的要求：（1）要求有高实时性与良好的时间确定性。（2）传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁。（3）容错能力强，可靠性、安全性好。（4）控制网络协议简单实用，工作效率高。（5）控制网络结构具有高度分散性。（6）控制设备的智能化与控制功能的自治性。（7）与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网 络的集成。（8）设备的可靠性与环境适应性。（9）远距离传输。（10）总线供电。（11）本安防爆。,8.3 以太网用于工业控制需要解决的问题,（12）网络安全性。（13）互操作性。工业以太网比传统的商业以太网对设备有着更为苛刻的要求。工业以太网要求设备可以正常工作在恶劣的环境中，而且在温度、湿度、抗干扰、电磁兼容性、机械强度等方面，都有较高的要求。1.应用广泛以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持，最典型的以太网应用形式是Ethernet+TCP/IP+Web。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，如Java、Visual C+、Visual Basic等。2.成本低廉,8.4 以太网用于工业控制的优势,由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发商与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有PROFIBUS、FF等现场总线的十分之一，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。3.通信速率高目前以太网的通信速率为10M，100M的快速以太网也开始广泛应用，1000M以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究。其通信速率比目前的现场总线快得多。以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。4.软硬件资源丰富由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等多方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统开发和推广速度。5.可持续发展能力强由于以太网的广泛应用，它的发展一直得到广泛的重视和大量的技术投入，形成全球性的技术支持。并且，在当前信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一,个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。因此，工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网络和信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。6.易于实现管控一体化易于实现控制网络与信息网络的无缝集成，建立统一的企业网络。可实现嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入以太网络，直至与Internet相连。由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。,8.5 工业以太网技术的发展趋势与前景,从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面。1.工业以太网与现场总线相结合工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组；,应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议；兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等。这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出“透明工厂”的概念，即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络，并与Web功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。2.工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间的通信提供了技术可能。为此，国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网（Real-time Ethernet，RTE）标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“863”计划的支持下，开展了EPA（Ethernet for Plant Automation）技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备,间通信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果：以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术：实时通信技术 其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。总线供电技术 采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。远距离传输技术 采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。网络安全技术,采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。可靠性技术 采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。起草了EPA国家标准。以工业现场设备间通信为目标，以工业控制工程师（包括开发和应用）为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP协议，起草了“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”（草案），并通过了由TC124组织的技术评审。开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用。针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括：基于以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器、软PLC等成果。,3.发展前景据美国权威调查机构ARC（Automation Research Company）报告指出，今后Ethernet不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC（Venture Development Corp.）调查报告也指出，Ethernet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也会越来越快。由于以太网有“一网到底”的美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。,
