【摘要】：介紹了企業(yè)信息系統(tǒng)的構成,引入了以太網(wǎng)技術，詳細分析了以太網(wǎng)在設備層和過程控制層的應用，并簡單介紹了應用的關鍵技術及以太網(wǎng)協(xié)議。 【關鍵詞】：信息集成，工業(yè)以太網(wǎng)，實時性，應用層協(xié)議 隨著網(wǎng)絡技術，通訊技術，計算機技術，以及集成電路技術的發(fā)展，企業(yè)獲得競爭力的根本在于其經(jīng)營過程的各個環(huán)節(jié)是否協(xié)調和整體優(yōu)化，只有實現(xiàn)企業(yè)各個經(jīng)營環(huán)節(jié)的信息前后貫穿和共享，使企業(yè)的應用系統(tǒng)緊密匹配企業(yè)的業(yè)務流程和業(yè)務模型，才能主動或被動地重組經(jīng)營過程并敏捷地響應市場變化，這就對企業(yè)集成技術提出了越來越高的要求。 現(xiàn)場總線技術的發(fā)展已經(jīng)極大地改變了企業(yè)控制系統(tǒng)的結構，它具有開放，分散，數(shù)字化，可互操作等特點，有利于企業(yè)自動化系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)的集成，然而現(xiàn)場總線由于技術水平和市場利益的原因，存在著標準不統(tǒng)一，設備價格居高不下，傳輸速度慢，二次開發(fā)成本高等缺陷，為了改善和企業(yè)內部信息網(wǎng)絡的集成，注意到了以太網(wǎng)技術。企業(yè)的信息層大多數(shù)已經(jīng)應用了以太網(wǎng)的解決方案，而在控制層和設備層引入以太網(wǎng)的技術是實現(xiàn)無縫連接的最佳方案，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線由于協(xié)議的不統(tǒng)一，互操作性較差，需要安裝轉換的網(wǎng)關，既提高了費用又不方便。而工業(yè)以太網(wǎng)由于具有統(tǒng)一的標準，為各種信息交換提供了便捷。 1.企業(yè)集成信息系統(tǒng)的構成 圖為企業(yè)信息系統(tǒng)功能模型及層次結構。其頂層為決策層，底層為現(xiàn)場控制層，自下而上中間各層分別為監(jiān)控優(yōu)化層，調度層，計劃層，管理層，決策層。各功能塊在計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫支持下運行。企業(yè)決策系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)內部，外部信息，對企業(yè)經(jīng)營，產(chǎn)品策略的中長期目標與規(guī)劃提出決策支持;管理系統(tǒng)對廠級，車間，科室的業(yè)務信息實現(xiàn)集成管理，并按照決策系統(tǒng)的指令形成邏輯策略;生產(chǎn)計劃調度系統(tǒng)完成生產(chǎn)計劃分解，生產(chǎn)調度，生產(chǎn)統(tǒng)計等功能，形成詳細的生產(chǎn)計劃，生產(chǎn)策略和過程策略;監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)過程優(yōu)化，高等控制，統(tǒng)計控制，故障診斷等功能;現(xiàn)場直接控制系統(tǒng)則完成生產(chǎn)過程的檢測與常規(guī)控制功能。 2.工業(yè)以太網(wǎng)技術應用 2.1以太網(wǎng) 以太網(wǎng)是最早的局域網(wǎng)，也是目前應用最廣泛，最具有代表性的局域網(wǎng)。按照ISO/OSI的7層參考模型，以太網(wǎng)標準只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。而工業(yè)以太網(wǎng)是基于商用以太網(wǎng)協(xié)議和標準發(fā)展而來的，是以太網(wǎng)技術和工業(yè)需求相結合的產(chǎn)物。以太網(wǎng)其接入網(wǎng)取消了有關的網(wǎng)絡單元，使網(wǎng)絡大大簡化結構，且由于結構簡單，便于維護和管理，網(wǎng)絡的建設成本大幅度下降。以太網(wǎng)所制定的標準在兼容性方面以達到即插即用的水平，成為可普遍采用的網(wǎng)絡技術。 以太網(wǎng)可通過支持軟件利用"自動協(xié)商"功能實現(xiàn)不同工作模式，不同工作速率和不同傳輸介質之間的轉換，網(wǎng)絡拓撲結構可根據(jù)用戶需要隨時修改，其節(jié)點可隨時增加也可移動，漫游。以太網(wǎng)作為用戶通用服務接口，帶寬的擴展服務升級就變得相當簡單，只需服務商把用戶的生級要求輸入到相關服務處理系統(tǒng)，通過計算機改變軟件參數(shù)，調寬用戶所需帶寬要求，升級成本可忽略不計。用戶接入帶寬升級后可以很自然地與干線網(wǎng)對接消除了所謂的瓶頸效應。 以太網(wǎng)的傳輸速率，最低10Mbit/s，最高可達10Gbit/s，這樣的速率完全可以滿足MAN，WAN網(wǎng)絡需求的。若LAN，WAN，WAN統(tǒng)一采用以太網(wǎng)技術，不但網(wǎng)絡升級方便，而且避免了不同網(wǎng)絡之間必須執(zhí)行的協(xié)議轉換，從而簡化了網(wǎng)絡。 由于以太網(wǎng)具有上述種種優(yōu)越，使以太網(wǎng)充分應用于各個領域。 2.2以太網(wǎng)在底層的應用分析 以太網(wǎng)由于協(xié)議統(tǒng)一，傳輸速度快優(yōu)點，在底層逐漸取代了現(xiàn)場總線或與現(xiàn)場總線結合形成控制系統(tǒng)，以便達到企業(yè)信息系統(tǒng)的集成。以下給出了以太網(wǎng)用于底層的基本框圖: 每個智能設備都配有嵌入式以太網(wǎng)接口，將該設備作為一個以太網(wǎng)節(jié)點直接連接到以太網(wǎng)上。而每個設備各自都有分配的IP地址，使設備之間不需要其它設備的幫助就可以通信，設備的任務是對現(xiàn)場的參數(shù)進行采集，并對設備進行監(jiān)控，通過以太網(wǎng)與上層進行連接，采用TCP/IP作為底層通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)實時，快速，準確地反映給上層，而最終管理層通過不斷更新的信息進行決策的調整，提高工作效率。通過以太網(wǎng)的抗干擾設計，能保證在車間惡劣環(huán)境下的通信通暢和實時性，且易于與管理層集成。 操作員站，工程師站，中央控制室，控制器，用于完成系統(tǒng)的監(jiān)控，現(xiàn)場的組態(tài)及復雜控制算法的實施等工作，另外將數(shù)據(jù)從現(xiàn)場控制級采集上來進行處理后，向上一級傳輸，服務器，主要完成歷史數(shù)據(jù)的處理，并與企業(yè)MIS系統(tǒng)，ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)企業(yè)的管控一體化。 選擇合適的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡設備，要從以太網(wǎng)通信協(xié)議、電源、通信速率、工業(yè)環(huán)境認證、安裝方式、散熱性、簡單通信功能和通信管理功能、電口或光口等方面進行考慮。如控制器，中繼器，交換機，變換器設備的選擇等。其中主干網(wǎng)基于以太網(wǎng)通信標準協(xié)議，采用光纜或屏蔽雙絞線，使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)環(huán)行冗余。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設備層。需要注意的是，由于企業(yè)的3層網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和對實時性的要求不同，所以雖然從上到下都是工業(yè)以太網(wǎng)，但在不同層次之間還需設置路由器或網(wǎng)橋（如附圖所示）。使用路由器可以阻斷以太網(wǎng)上的廣播信息，但如果所選擇的路由器速度太慢，則會形成傳輸?shù)钠款i。 采用以太網(wǎng)架構以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構的限制，可以位于現(xiàn)場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構和開放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱為"透明工廠"。 此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結合起來，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機會和市場的"電子制造"，從而使企業(yè)能夠適應經(jīng)濟全球化的要求。 2.3以太網(wǎng)的關鍵技術: 以太網(wǎng)所要解決的關鍵技術主要有實時性和確定性及可靠性和安全性。為了確保實時性和可靠性，在網(wǎng)絡拓撲上，采用星形代替總線型;使用網(wǎng)橋或路由器等設備將網(wǎng)絡分割成多段網(wǎng)絡;采用以太網(wǎng)交換機;采用全雙工技術;在以太網(wǎng)MAC層上增加確定性調度層，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械，氣候，塵埃等條件非常惡劣，工業(yè)網(wǎng)絡必須具備較好的可靠性，可恢復性以及可維護性。如果需要更強大的抗干擾能力可以采用屏蔽雙絞線或光纖網(wǎng)絡。在進行系統(tǒng)設計時，可通過可靠性設計提高現(xiàn)場設備的可靠性;采用環(huán)行冗余結構Ethernet以提高系統(tǒng)的可恢復性;采用智能設備管理系統(tǒng)，對現(xiàn)場設備進行在線監(jiān)視和診斷，維護管理。對以太網(wǎng)現(xiàn)場設備（包括安裝在現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機）采取增安、氣密、澆封等防爆措施，使得本身的故障產(chǎn)生的電火能量不會外泄，以保證系統(tǒng)使用的安全性。工業(yè)以太網(wǎng)將控制層和管理層連接起來，上下網(wǎng)段使用相同的協(xié)議，具有互操作性。使用兩級防火墻，一層防火墻防止來自外部的非法訪問，第二級的防火墻可以屏蔽內部網(wǎng)絡的非法訪問。另外還可用根據(jù)日志記錄調整過濾和登錄策略。 2.4工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議: 由于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡用的現(xiàn)場總線，如果大規(guī)模的替代，投資成本大幅度增加，而且對原來系統(tǒng)也形成了浪費，所以也常將現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結合，方案有以下幾種: 1.包裹法 典型代表是CIP、HSE和Modbus-TCP/IP.整合的方法是:將幾個保持原樣的現(xiàn)場總線報文作為"用戶數(shù)據(jù)"嵌入TCP/UDP的數(shù)據(jù)幀，然后在Ethernet上發(fā)送。它不需要花時間制定新的規(guī)范，具有向下兼容，不同現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)幀可以同時傳輸。 InterBus采用反向包裹法。它是將TCP/IP數(shù)據(jù)幀嵌入In-terBus報文。由于InterBus報文短，TCP/IP數(shù)據(jù)幀被拆開傳送。這樣InterBus設備可以不受影響地用在現(xiàn)場，正常運行時的現(xiàn)場總縣短報文信息傳輸效率大大提高。需要拆開傳送的長報文主要用語傳送程序和組態(tài)信息，這種傳送出現(xiàn)的幾率稍低，而且對實時性的要求也低。 2.網(wǎng)關和代理服務器法 網(wǎng)關和代理服務器法是傳統(tǒng)的跨協(xié)議轉換方法，在現(xiàn)場總線領域中的典型代表是Profit。采用的方法是通過網(wǎng)關或代理服務器進行Ethernet與現(xiàn)場總線的信息轉換。 3.重建法 就是拋棄已有現(xiàn)場總線，為Ethernet建新的實時通信擁護層，從而建立以Ethernet為基礎的全新現(xiàn)場總線。典型代表是IDA。 3.結束語 隨著信息技術的飛速發(fā)展，企業(yè)為了在競爭中保持領先地位，管理層需及時了解到生產(chǎn)設備層的實時信息，進行決策和管理，而傳統(tǒng)的底層采用現(xiàn)場總線，雖然在一定程度上具有開放性，且將功能下放到現(xiàn)場，智能儀表可進行一般的計算，控制，可是由于各廠家為了利益，沒有統(tǒng)一的協(xié)議，需要用網(wǎng)關，網(wǎng)橋等進行協(xié)議的轉化，而工業(yè)以太網(wǎng)以開放性，低成本，傳輸快等優(yōu)勢，逐步取代現(xiàn)場總線或與現(xiàn)場總線兼容，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡的無縫集成。隨著科技的發(fā)展，以往出現(xiàn)的阻礙發(fā)展的實時性，互操作性，網(wǎng)絡安全性等缺陷得到逐步改善，以太網(wǎng)的廣泛應用已是大勢所趨。我們有理由相信，在不久的將來，一個統(tǒng)一的、具有可互操作性的工業(yè)以太網(wǎng)將在企業(yè)信息集成系統(tǒng)的中下層中發(fā)揮越來越重要的作用。