工业以太网现场控制技术的发展

2010-02-13聂新年

装备制造技术 2010年4期

关键词：实时性以太网交换机

聂新年

（马钢股份有限公司粉末冶金公司，安徽马鞍山243000）

1 现场总线简介

1.1 现场总线的定义

现代制造型企业信息化一般可划分为三层：

（1）计划层，以ERP（企业资源计划）或ERPⅡ为代表；

（2）执行层，以MES（制造执行系统）为代表；

（3）控制层，如PLC等自动化硬件以及现场总线控制系统等。

随着技术的发展，车间控制层从单机自动化的时代，已经过渡到工厂自动化（FA）时代。对工厂自动化或车间自动化来说，工业现场的所有设备和控制装置，必须有一种双向互联的通信技术连接到一起，来解决智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。这种通信系统，就是现场总线，也称现场网络。IEC（International Electrotechnical Commission，国际电工委员会）对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。IEC 61158标准包括8 种类型的现场总线，如 ControlNet、Profibus、PNet、SwiftNet、Interbus等。

1.2 应用中的局限性

现场总线技术应用中还存在以下局限性：

（1）现场设备计算能力较低，控制集中，难以实现全分散控制；

（2）现场总线位于系统的底层，开放性不足，数据通信存在瓶颈，难以与上层信息系统集成；

（3）各种类型的现场总线之间存在较大差异，不能实现互操作，不同总线之间难以集成；

（4）现场总线中的控制器运行相对独立，难以实现信息共享，导致系统整体实时性不强。

而工业以太网技术，正好可以弥补以上不足，并在现场控制中得到了广泛应用与迅速发展。事实上，工业以太网已经成为一种新的现场总线标准。

2 基于工业以太网的现场总线

2.1 以太网及工业以太网技术介绍

以太网最早出现在上世纪70年代，是一种总线式局域网，采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，载波监听多路访问/冲突检测）协议，1985年，IEEE 802委员会吸收以太网标准为IEEE 802.3标准，以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，包括在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以100~1000 Mbps甚至更高的速率传输信息包。以太网组成的网络节点分为两大类：

（1）数据终端设备，如工作站、服务器、智能设备等；

（2）数据通信设备，接收和转发网络中数据包，如中继器、交换机和路由器等。

早期以太网一般采用总线型拓扑结构，现在多为星型拓扑结构。总线型结构采用分布式媒体访问控制方法，主干故障会造成全网瘫痪，站点较多时，数据冲突增多造成低效率。星型拓扑结构采用集中式媒体访问控制方法，结构简单，实现容易，信息延迟确定。

工业以太网在技术上和商业以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，传输对象主要为工厂控制信息，要求有很强的实时性与可靠性；在使用上，要满足工业现场的环境要求，如：耐高温、耐腐蚀、防尘、防水、电磁兼容性EMC应符合EN 50081-2、EN 50082-2标准、安装方便等[3]。

2.2 工业以太网的应用优势

以太网的最初设计并未考虑工业应用，但由于以太网标准应用广泛、成本低廉、接口方便，在工业现场控制中迅速发展。一方面弥补了现有总线技术的不足，另一方面也使得工业以太网控制技术越来越成熟，与现场总线相比，其最大的优点就是结构简单、经济实用，易为人们所掌握，以太网支持的传输介质为同轴电缆、双绞线、光纤等。以太网是一种标准开放式网络，遵从TCP/IP协议，相关技术支持全面，兼容性好，一些硬件如路由器、交换机均已成为通用设备，有着广泛的技术支持，成本相当低廉，企业当中不同厂商的设备通过以太网很容易实现互联，而且工业以太网又能与办公以太网轻易实现无缝集成。此外，由于以太网是当今应用最为广泛的计算机网络技术，通用的编程语言基本都支持以太网的应用开发，这就极大方便了用户的后期维护与技改工作。由于以太网支持几乎所有的网络协议，能够直接与Internet实现互联，所以工业现场通过以太网可以便捷的实现远程控制、共享远程数据库资源。从这点来说，无论是实施CIMS，还是企业管理信息化整合，工业以太网都将作为有力的支撑，是现场控制的首选技术。

3 现场控制的现存问题

3.1 可靠性不足

工业以太网与标准以太网相比，为满足工业现场的需要，需达到以下要求：

（1）环境适应性，包括机械特性（耐振动、冲击）、环境特性（工作温度、耐腐蚀、防尘、防水）、电磁环境适应性或电磁兼容性等。

（2）数据传输可靠性，以太网的典型通讯特点是随机接入、载波侦听、碰撞检测和冲突竞争。目前以太网技术发展十分迅速，传输速度从早期l0 Mbps发展到目前的1000 Mbps，并开始引入流量控制机制，但由于采用冲突竞争的传输方式，其同样具有传输不确定性的特点，亦即从理论上讲，任何变量都不能完全确保在规定时间内发送成功[7]。

3.2 存在实时性差，不确定性问题

工业以太网需要确保数据传输的实时性，这点与商业应用不同。工业控制对实时性的要求是硬性的，常常涉及生产设备和人员安全。由于传统的以太网是采用CSMA/CD的访问控制机制，这种访问机制只确定信号传输路径，并不区分信号的优先级，所以存在数据排队延迟不确定的缺陷。每个网络节点要通过竞争来取得信息包的发送权，通信时节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息；此外如检测到信息发生碰撞，还需要退出重发。因此无法保证确定的排队延迟和通信响应的确定性，不能满足工业过程控制在实时性上的要求，从而制约了其在工业控制中的应用。工业以太网的实时性，目前主要是由以下几点保证：限制工业以太网的通信负荷，采用1000 Mbps的快速以太网技术提高带宽，采用交换式以太网技术和全双工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD机制。

3.3 安全问题

以太网本质上不是一个安全的系统，采用TCP/IP协议使其在与其他网络连接时获得极大的便利，但也同时带来了较为严重网络安全问题。网络中的病毒、黑客入侵与非法操作，都必须加以严密防范。常见的攻击有病毒攻击与MAC攻击，病毒攻击会产生大量数据流入工业以太网，加大了它的通信负荷，影响实时性。工业以太网交换机通常是二层交换机，网络依赖MAC地址保证数据的正常转发，如果MAC地址和该端口的映射关系失效，交换机就会停止正常的网络传输过滤。在传统工业以太网中，上下级网段采用不同的协议，并使用防火墙防止来自外部的非法访问，不同网段之间不实现互操作。但现代企业信息化中，越来越多的需要利用工业以太网将控制层和管理层连接起来，上下级网段使用相同的协议，并具有互操作性，这时就要使用两级防火墙，第二级的防火墙用于屏蔽内部网络的非法访问和对不同权限的合法用户授权。此外要采取严格的权限管理措施，由于工厂应用专业性很强，进行权限管理能有效避免非授权操作。目前，IT网络的安全技术相对丰富和成熟，在控制层的工业以太网一方面可以借鉴这些安全技术，但是同时必须保证工业以太网的数据包快速转发，提高实时性。在防止关键信息窃取方面，由于工业以太网发送的多为周期性的短信息，所以可采用较为安全的非对称密码体制。

4 发展趋势

4.1 高效性

工业以太网的高效性包括稳定性、实时性和安全性等方面。稳定性，指网络设备对工业环境的适应性，对高温、振动、潮湿等恶劣环境有完备的电气防护；实时性和安全性，是每一个工业以太网设备生产厂家都十分关注的问题。目前通过QoS（Quality of Service，服务质量）机制，使重要的数据能够优先传输，可以有效地提高系统的实时性，支持HTTPS和SSH协议，允许数据在加密的格式下传输，可以提升系统的安全性。此外，MAC地址锁定、地址过滤、过滤广播信号、VLAN、VPN及带宽管理等多种技术，都对提高系统的安全性和实时性有一定的帮助。在2009汉诺威工业博览会（Hannover Fair 2009）上，德国Harting公司推出了Ha-VIS“快速轨道交换”技术，实现将所有自动化信号绕过标准以太网存储转发结构直接通过交换机，如果当交换机正在处理一个IT信号时，一个工业信号被发送过来，那么前者的处理过程将被立即中断，让工业现场信号优先传输，直到该信号完全通过了交换机，IT信号才会重新开始传输。使用该技术的交换机，能够与标准以太网完美契合，从而保证了现场级的确定性数据传输[2]。

4.2 端到端的QoS与组播技术

虽然以太网的带宽越来越大，但不断出现的新业务和应用，对带宽的要求也越来越高，仅仅提高带宽已经无法满足应用的要求，也无法保证传输的高效性。如何保证网络应用端到端的QoS，已成为现今以太网面临的最大挑战，网络应用迫切需要设备对QoS的支持向边缘和接入层次发展。在过去，网络中高QoS价格昂贵，但是随着ASIC（专用集成电路）技术的发展，使低端设备具备强大的QoS能力成为可能，网络的QoS已经从集中保证逐渐向端到端保证过渡。组播作为一种与单播并列的传输方式，其意义不仅在于减少网络资源的占用，提高扩展性，还在于利用网络的组播特性，方便地提供一些新的业务。随着网络中多媒体业务的日渐增多，组播的优越性和重要性越来越明显。协议的完善将促进组播应用的发展，在商业以太网中，组播技术研究已经非常成熟，工业以太网可以充分利用现有的组播技术并转变为应用。

此外，以太网的分布式控制、交换机的智能识别与转发、交换机与路由的融合等技术，也是以太网的发展趋势[8]。