【關鍵詞】現(xiàn)場總線 【論文摘要】隨著以知識經(jīng)濟為特征的信息時代的到來和現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，企業(yè)綜合自動化在現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)中的作用也越來越重要，它把工廠內(nèi)各個孤立的局部自動化子系統(tǒng)在新的管理模式與工藝指導下，綜合運用信息技術、自動化技術、計算機網(wǎng)絡及其支持軟件技術等有機地結(jié)合起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進行有效的控制和協(xié)調(diào)，以適應新的競爭形勢下市場對生產(chǎn)管理過程提出的高質(zhì)量、高速度、高靈活性和低成本的要求。 引言 隨著以知識經(jīng)濟為特征的信息時代的到來和現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，企業(yè)綜合自動化在現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)中的作用也越來越重要，它把工廠內(nèi)各個孤立的局部自動化子系統(tǒng)在新的管理模式與工藝指導下，綜合運用信息技術、自動化技術、計算機網(wǎng)絡及其支持軟件技術等有機地結(jié)合起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進行有效的控制和協(xié)調(diào)，以適應新的競爭形勢下市場對生產(chǎn)管理過程提出的高質(zhì)量、高速度、高靈活性和低成本的要求。 工業(yè)控制網(wǎng)絡作為工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的基礎，從結(jié)構(gòu)上看可分為三個層次：即管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場設備層。如圖1所示。 其中，最上層的企業(yè)管理層網(wǎng)絡，主要用于企業(yè)的計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業(yè)的經(jīng)營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設備之間一般以發(fā)送電子郵件、下載網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)庫查詢、打印文檔、讀取文件服務器上的計算機程序等方式進行信息的交換，數(shù)據(jù)報文通常都比較長，吞吐量較大，而且數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機的、無規(guī)則的，因此要求網(wǎng)絡必須具有較大的帶寬。管理層層網(wǎng)絡主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）組成。 中間的制造執(zhí)行層網(wǎng)絡主要用于監(jiān)控、優(yōu)化、調(diào)度等方面信息的傳輸，其特點是信息傳輸具有一定的周期性和實時性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡具有較大的帶寬，以前由專用網(wǎng)絡如令牌網(wǎng)組成，如今這一層網(wǎng)絡則主要由傳輸速率較高的網(wǎng)段（如10M、100M Ethernet等）組成。 而最底層的現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡則主要用于變送器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備之間、以及現(xiàn)場設備與控制室儀表之間的信息傳輸。它具有以下特點： （1）傳輸?shù)男畔㈤L度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點與量程調(diào)校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位（bit）或幾個、十幾、幾十個字節(jié)（byte），對網(wǎng)絡傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺? （2）通信響應實時性要求較高。工業(yè)控制對實時性的要求是“硬”的，因為它往往涉及安全，所以必須在任何時間都及時響應，不允許有不確定性。它包括兩方面的要求，一是傳輸速度要快，即網(wǎng)絡通信速率要高，二是響應時間要短，響應時間可由4個方面決定：儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力；信息在通信協(xié)議的應用層與物理層之間的傳輸時間；等待網(wǎng)絡空閑的時間；避免信息在網(wǎng)絡上碰撞的時間。由于這個時間對大多數(shù)通信協(xié)議是一個隨機數(shù)，過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個時間達到最短，但它要求最大值是預先可知的，并小于一定值。另外，通信響應實時性還與系統(tǒng)的巡回時間有關，通常最長巡回時間是預先可知的，并小于一定值。 （3）較強的可靠性與安全性。對于工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡，必須解決環(huán)境適應性問題，它包括電磁環(huán)境適應性（傳輸時不要干擾別人，也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應性（要耐溫、防水、防塵）、機械環(huán)境適應性（要耐沖擊、耐振動）。而安全性要求則是指網(wǎng)絡傳輸媒體上所傳輸?shù)哪芰恳?，在正常工作或出現(xiàn)故障時，均不致引發(fā)災難事故。 （4）總線供電，即工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。 正是由于以上特點和特殊性，目前現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡主要由低速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡組成。 1.現(xiàn)場總線的產(chǎn)生回顧 所謂現(xiàn)場總線，按照國際電工委員會IEC／SC65C的定義，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場總線為基礎而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）。 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生是多方面因素共同作用的結(jié)果。 首先，現(xiàn)場總線的產(chǎn)生反映了儀器儀表發(fā)展的需要。儀器儀表的發(fā)展經(jīng)歷了全模擬式儀表、智能儀表、具有通信功能的智能儀表、現(xiàn)場總線儀表等幾個階段。其中，全模擬式儀表是將傳感器信號進行調(diào)理放大后，經(jīng)過V/I電路轉(zhuǎn)換，輸出4～20mA或0～5V的模擬信號，（如圖2a所示）。其后隨著計算機技術的發(fā)展，微處理器在儀器儀表中得到了廣泛應用，過程變量經(jīng)調(diào)理放大、A/D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并經(jīng)過微處理器的運算、補償?shù)忍幚砗螅偻ㄟ^D/A、V/I等電路，仍然以4～20mA或0～5V的模擬信號輸出（如圖2b所示），這種智能儀表相對于全模擬儀表來講，測量精度得到大大提高，但信號傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾，傳輸精度和可靠性都不高。于是，人們在儀器儀表中增加了通信接口（如RS232/485等），以數(shù)字通信的方式代替模擬信號傳輸（如圖2c所示）。但由于這些通信標準只規(guī)定了物理層上的電氣特性，而對于數(shù)據(jù)鏈路層及其以上各通信層次，則沒有統(tǒng)一定義，致使不同儀表所使用的通信協(xié)議可能各不相同，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的儀器儀表也會由于通信協(xié)議的專有與不兼容而無法實現(xiàn)相互之間的通信，并嚴重束縛了工廠底層網(wǎng)絡的發(fā)展。為解決這個問題，必須使這些網(wǎng)絡的通信標準進行統(tǒng)一，組成開放互連系統(tǒng)，于是就產(chǎn)生了現(xiàn)場總線。 其次，現(xiàn)場總線的產(chǎn)生反映了企業(yè)綜合自動化、信息化要求。為了適應越來越激烈的市場競爭需要，逐步形成了計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點來組織工業(yè)生產(chǎn)，把市場、生產(chǎn)計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計算機、自動化、通信等技術來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，在信息采集、加工的基礎上，運用網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)信息集成，并進一步優(yōu)化生產(chǎn)與操作，增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。因而信息技術成為工業(yè)生產(chǎn)制造過程的重要因素，必須設計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設備之間的多點數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。 因此，從20世紀80年代開始，各種現(xiàn)場總線相繼產(chǎn)生，其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡LonWorks（Local Operating Network ）、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process FieldBus）和HART協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer）以及DeviceNet、ControlNet、P-NET，等等。 面對如此之多的現(xiàn)場總線，用戶如何選擇？為解決這個問題，國際電工委員會IEC在1984年就開始籌備制定單一現(xiàn)場總線國際標準。然而，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅(qū)使，圍繞著現(xiàn)場總線技術的標準進行了一場大戰(zhàn)，最后經(jīng)過多方妥協(xié)，于1999年年底通過了包含F(xiàn)F、Profibus、DeviceNet、P-NET、Interbus等八種總線在內(nèi)的IEC61158，而沒有實現(xiàn)制定單一標準的目標。許多人也因此對制定單一國際現(xiàn)場總線標準已失去信心，致使2000年之后的標準混戰(zhàn)明顯降溫。這個結(jié)局也在向世人表明，在相當長一段時間內(nèi)多種現(xiàn)場總線將并存，控制網(wǎng)絡的系統(tǒng)集成與信息集成會面臨困難的復雜局面。無論是最終用戶還是制造商，普遍都在關注現(xiàn)場總線技術的發(fā)展新動向，都有在尋求高性能低成本的解決方案。與此同時，人們也紛紛發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場總線標準制定過程中，過多強調(diào)了現(xiàn)場總線的特殊性，而忽視了與信息網(wǎng)絡技術（如Ethernet技術）的結(jié)合。 2.為什么以前不用Ethernet作現(xiàn)場總線？ Ethernet（Ethernet）最初是在1973年由Dr Robert Metcacfe 領導的小組在Xerox Palo Alto Research Park研制出來的，應用于微型計算機系統(tǒng)商業(yè)網(wǎng)絡終端。后幾經(jīng)修改，1983年出版了的IEEE802.3標準，它和1985年發(fā)布的ISO8802.3標準是相同的。 Ethernet采用星型或總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10M、100M、1000M甚至更高，傳輸介質(zhì)為屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜等。 Ethernet區(qū)別于其他網(wǎng)絡（如令牌網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、主從式網(wǎng)絡等）的重要特點是，它采用的介質(zhì)訪問控制方法——CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問）是一種非確定性或隨機性通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡，如網(wǎng)絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡；如果兩個或更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡空閑并同時發(fā)送報文時，將發(fā)生碰撞，同時節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度的時間后重新發(fā)送。16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器回報失敗信息。 在網(wǎng)絡負荷較高時，Ethernet上存在的這種碰撞成了主要問題，因為它極大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時，并導致Ethernet實際性能的下降。由于在一系列碰撞后，報文可能會丟失，因此節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障。Ethernet的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機制導致了網(wǎng)絡傳輸延時和通信響應的“不確定性”。 而對于工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡，Ethernet的這種通信“不確定性”會導致通信延遲的“不確定性”，并導致系統(tǒng)控制性能下降，控制效果不穩(wěn)定，甚至會引起系統(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時，還會因報警信息不能及時得到響應，而導致災難事件的發(fā)生，并成了它應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡的主要障礙。 Ethernet沒有用于現(xiàn)場總線的另外一個重要原因是，作為工業(yè)現(xiàn)場智能設備的核心組成部分——微處理器，在20世紀80年代時還處于初期發(fā)展階段，功能簡單，數(shù)字處理能力不強，不能處理Ethernet上“捆綁”使用的TCP/IP協(xié)議。 3.Ethernet正逐漸進入工業(yè)控制領域 盡管Ethernet是一種隨機性網(wǎng)絡，但由于其技術比較簡單、完全公開，能很快被大家接受，通過不斷改進、提升，市場占有率（特別是辦公自動化OA領域的市場占有率）越來越大，而成本卻越來越低，進而變成主流，即使IBM力推Token Ring（令牌環(huán)網(wǎng)）架構(gòu)也已難擋此潮流。據(jù)VDC調(diào)查報告，如今已有約93%以上的網(wǎng)絡節(jié)點具有Ethernet接口。 那么，Ethernet能不能應用于工業(yè)控制領域呢？ 我們知道，令牌總線控制方式在工業(yè)控制領域應用得較多，其特點是，網(wǎng)絡上各工作站對總線的控制權是由令牌來控制的。收到令牌的節(jié)點在一段規(guī)定時間內(nèi)擁有網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的控制訪問權，并向網(wǎng)絡上發(fā)送一幀或多幀信息，當該站傳輸已經(jīng)完成或它占用網(wǎng)絡的規(guī)定時間到時，它就將令牌傳遞到下一邏輯站。因此，傳輸過程就是由交替進行的數(shù)據(jù)傳輸階段和令牌傳送階段組成。由于令牌傳遞時間、擁有令牌的節(jié)點占用網(wǎng)絡控制權的時間是預先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量一定的情況下，每個網(wǎng)絡節(jié)點的信息發(fā)送的時間是可以預先估計出來的，因此，令牌網(wǎng)又稱為“確定性”網(wǎng)絡。顯然，這種確定性比較適合通信確定性和響應實時性要求較高的工業(yè)控制系統(tǒng)中應用。其中Arcnet網(wǎng)絡就是比較著名的令牌總線之一，傳輸速率為2.5Mbps，數(shù)據(jù)幀長度最大為508字節(jié)，可使用電纜、雙絞線和光纖等傳輸介質(zhì)。 通過比較Arcnet網(wǎng)絡與Ethernet在不同網(wǎng)絡負荷下的通信響應性能（如圖3所示）。 可以發(fā)現(xiàn)，在負荷較輕時，Ethernet網(wǎng)絡的響應速度明顯大于Arcnet網(wǎng)絡，但隨著負荷的增加Ethernet網(wǎng)絡的響應速度就急劇下降，而Arcnet網(wǎng)絡卻下降得非常緩慢。這是因為，當負荷輕時，Ethernet網(wǎng)絡的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)生碰撞的概率很低，幾乎可以隨時發(fā)送，而Arcnet網(wǎng)絡則必需要有令牌才能發(fā)送，當然沒有Ethernet網(wǎng)快。但當負荷很重時，Ethernet網(wǎng)的碰撞概率急劇增加，這就象一群人亂哄哄的擠一個門，這群人要完全進入門中，得花費很長的時間。而Arcnet則象一群人排隊進一個門，其進入速度肯定比前者快。同時，也可看出，當網(wǎng)絡負荷低于25%時，Ethernet網(wǎng)的響應速度要比Arcnet網(wǎng)要快。在典型的工業(yè)控制系統(tǒng)應用中，通信峰值負荷為10M Ethernet的5%，100M Ethernet網(wǎng)絡中的負荷為0.5%。如果通過仔細設計，對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量和通信流量進行控制，使網(wǎng)絡負荷低于10%，完全可以采用Ethernet網(wǎng)來取代Arcnet網(wǎng)等令牌網(wǎng)。 事實上，由于以太網(wǎng)接口芯片已非常普遍，價格低廉，已從OA領域逐漸擴展到FA（工廠自動化）領域，目前幾乎所有遠程I/O和控制器的均能提供一個支持TCP/IP的Ethernet接口。與此同時，Ethernet也成現(xiàn)場總線技術發(fā)展的新趨勢，并被作為各種現(xiàn)場總線的高速組成部分，如現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation，F(xiàn)F）的HSE（High Speed Ethernet），Profibus國際（Profibus International，PI）的ProfiNet等、ControlNet國際（ControlNet International，CI）和開放設備網(wǎng)制造商協(xié)會（Open DeviceNet Vendor Association，ODVA）的Ehternet/IP，MODBUS用戶集團的MODBUS/TCP等等，但這些協(xié)議還主要應用于控制系統(tǒng)的中、上層設備間的通信。另外，據(jù)美國權威調(diào)查機構(gòu)ARC（Automation Research Company）報告指出，今后Ethernet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機網(wǎng)絡通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡通信市場，也必將領導未來現(xiàn)場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎協(xié)議。美國VDC（Venture Development Crop.）調(diào)查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領域中的應用將越來越廣泛，市場占有率的增長也越來越快，將從2000年11%增加到2005年23%。 4.Ethernet能不能用于工業(yè)控制現(xiàn)場？ 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信成為可能。 1、通信確定性 首先，Ethernet的通信速率從10M、100M到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，也就意味著網(wǎng)絡碰撞機率大大下降。 其次，采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，交換機將網(wǎng)絡劃分為若干個網(wǎng)段。Ethernet交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再會發(fā)生碰撞；同時交換機還可以對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行包過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡負荷。 再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。 因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可以使網(wǎng)絡上的沖突域已經(jīng)不復存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），并由此使Ethernet通信“確定性”和實時性得到大大提高。 2、通信穩(wěn)定性與可靠性 Ethernet進入工業(yè)控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為OA領域而設計的，抗干擾性能較差，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求，也不具備本安特性和向現(xiàn)場儀表供電的性能。 隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定地工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。美國NETSilicon公司研制的工業(yè)Ethernet通信接口芯片，每片價格已降至10～15美元，與各種現(xiàn)場總線接口芯片相比，具有很大的價格優(yōu)勢。最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。 此外，在實際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡技術，以可以提高網(wǎng)絡的抗干擾能力和可靠性。 5.Ethernet應用于工業(yè)現(xiàn)場尚需解決的主要問題 Ethernet在應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡時，還需要解決以下一些關鍵問題： 1、Ethernet實時通信服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）支持策略 所謂實時通信服務質(zhì)量，是指以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制現(xiàn)場時，為滿足工業(yè)自動化實時控制要求，而提出的一系列通信特征需求，這些特征包括響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級等。 工業(yè)控制現(xiàn)場網(wǎng)絡中傳送的數(shù)據(jù)信息，除了傳統(tǒng)的各種測量數(shù)據(jù)、報警信號、組態(tài)監(jiān)控和診斷測試信息以外，還有歷史數(shù)據(jù)備份、工業(yè)攝像數(shù)據(jù)、工業(yè)音頻視頻數(shù)據(jù)等等。這些信息對于實時性和通信帶寬的要求各不相同，因此要求工業(yè)實時通信網(wǎng)絡能夠適應外部環(huán)境和各種信息的通信要求的不斷變化，為緊要任務提供最低限度的性能保證（Guaranteed-Response，GR）服務，同時為非緊要任務提供盡力（Best-Effort，BE）服務，從而確保整個工業(yè)控制系統(tǒng)的性能。 為此，將以太網(wǎng)應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信時，應根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)實時通信要求和特點的分析，制定相應的系統(tǒng)設計、流量控制、優(yōu)先級控制、數(shù)據(jù)報重發(fā)控制機制等策略，以保證網(wǎng)絡通信的實時QoS。 2、滿足通信一致性和互可操作性的應用層、用戶層協(xié)議規(guī)范 由于工業(yè)自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個借助網(wǎng)絡完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計算與操作功能，由多個網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)調(diào)完成自控任務。因而它需要在應用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。 從ISO/OSI的七層通信參考模型來看，以太網(wǎng)技術規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；而在其之上的網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主（已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡層“事實上的”標準）。而對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有作技術規(guī)定。目前商用計算機設備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）等應用層協(xié)議進行互信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應用于工業(yè)過程控制領域現(xiàn)場設備之間的實時通信。為此，為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應用要求，必須在Ethernet +TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協(xié)議，進而形成開放的標準。 3、網(wǎng)絡可用性 所謂網(wǎng)絡生存性，亦可稱為網(wǎng)絡可用性，是指系統(tǒng)中，任何一組件發(fā)生故障，都不應導致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡、控制器和應用程序以至于整個系統(tǒng)的癱瘓。它包括可靠性、可恢復性、可管理性等幾個方面的內(nèi)容，必須仔細設計。其中可靠性是指，組成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的控制器、I/O模塊、操作站、工程師站等硬件設備均應滿足環(huán)境適應性要求，相應的軟件（包括設備驅(qū)動軟件、應用程序、操作系統(tǒng)等）必須工作穩(wěn)定、可靠，因此系統(tǒng)組件與網(wǎng)絡設計的可靠性成了自動化設備制造商的設計重點。 所謂可恢復性，是指當系統(tǒng)中任一設備或網(wǎng)段發(fā)生故障而不能正常工作時，系統(tǒng)能依靠事先設計的自動恢復程序?qū)嚅_的網(wǎng)絡鏈路重新鏈接起來，并將故障進行隔離。同時，系統(tǒng)能自動定位故障，以使故障能夠得到及時修復。一般來講，網(wǎng)絡系統(tǒng)的可恢復性取決于網(wǎng)絡裝置和基礎組件的組合情況。 可管理性是高可用性系統(tǒng)的最受關注的焦點之一。通過對系統(tǒng)和網(wǎng)絡的在線管理，可以及時的發(fā)現(xiàn)緊急情況，并使得故障能夠得到及時的處理?？晒芾硇砸话惆ㄐ阅芄芾?、配置管理、在線變化管理等過程。 4、網(wǎng)絡安全性 將工業(yè)現(xiàn)場控制設備通過以太網(wǎng)連接起來時，由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅，并因此成為眾人關心的另一個重要問題。對此，一般可采用網(wǎng)絡隔離（如網(wǎng)關、服務器等隔離）的辦法，將控制區(qū)域內(nèi)部控制網(wǎng)絡與外部信息網(wǎng)絡系統(tǒng)分開。此外，還可以通過用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機制加強網(wǎng)絡的安全管理。但目前尚沒有針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡安全的成熟軟件。 5、本質(zhì)安全與安全防爆技術 對應用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。現(xiàn)場設備的防爆技術包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔爆型技術相比，本質(zhì)安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經(jīng)濟上的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，造價低；可在帶電情況下進行維護和更換；安全可靠性高；適用范圍廣。實現(xiàn)本質(zhì)安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。 由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六、七十毫安（5伏工作電源），因此低功耗的現(xiàn)場設備（如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機構(gòu)等）設計非常難以實現(xiàn)。因此，在目前的技術條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。 6.Ethernet應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 由于以太網(wǎng)具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。如法國施耐德公司推出的基于嵌入式Web的“透明工廠”系統(tǒng)中以太網(wǎng)、嵌入式Web等商用互聯(lián)網(wǎng)技術應用于信息管理層、監(jiān)控層、現(xiàn)場設備層。國內(nèi)如浙江大學、浙大中控聯(lián)合推出的基于EPA（Ethernet for Process Control）的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，也將以太網(wǎng)直接應用于變送器、執(zhí)行機構(gòu)、現(xiàn)場控制器等現(xiàn)場設備間的通信，實現(xiàn)了從現(xiàn)場設備層、控制層到管理層等網(wǎng)絡基于以太網(wǎng)的統(tǒng)一（即所謂的“E（Ethernet）網(wǎng)到底”，如圖4所示）。 與此同時，國際上的一些組織也正在研究以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的相關技術和標準，它們是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（Industrial Ethernet Association）、工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡聯(lián)合會IAONA（Industrial Automation Open Networking Alliance）、IDA（Interface for Distributed Automation）小組等。在2002年4月在北京召開的IEC/TC65全體會議上，IEC SC65C/WG1也將工業(yè)以太網(wǎng)有關的標準列為其未來工作內(nèi)容，并在IEC61784 part-2中加入基于工業(yè)以太網(wǎng)媒體的行規(guī)，同時對工業(yè)以太網(wǎng)傳輸媒體、本質(zhì)安全、總線供電、通信安全性等幾方面的標準進行研究，以適用工業(yè)控制網(wǎng)絡未來發(fā)展之需要。 7.結(jié)束語 工業(yè)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡是實現(xiàn)企業(yè)信息化的基礎，隨著企業(yè)信息化與自動控制技術的發(fā)展，發(fā)展基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，可廣泛應用于化工、石化、制藥、冶金、采礦、電力、食品加工、能源、數(shù)控系統(tǒng)等所有行業(yè)的自動化控制領域，必將受到廣大用戶的歡迎和擁護有著廣闊的推廣應用市場。 當然，在研究以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制現(xiàn)場時，除了要考慮工業(yè)自動化控制本身的特點和需求外，還應充分利用信息網(wǎng)絡成熟技術，結(jié)合當前應用實際，借鑒以太網(wǎng)在商用領域的成功應用經(jīng)驗，采取分步實施的策略，首先從解決“數(shù)字通信”開始，再逐步過渡到全分散現(xiàn)場控制、管控一體化方向發(fā)展。 參考文獻： [1]魏慶福.現(xiàn)場總線技術發(fā)展的新動向:"99NTERKAMA展覽會的啟示.工業(yè)控制計算機，2000,13（1）:1-4. [2]美國利諾LEEDS & NORTHRUP公司.MAX1000技術概貌. [3]施一明,馮冬芹.現(xiàn)場總線的標準與發(fā)展.電工技術雜志，2000,（9）:5-8. [4]馮冬芹,金建祥,褚健.淺談以太網(wǎng)應用于工業(yè)現(xiàn)場的關鍵技術.世界儀表與自動化，2002,（4）:8-13. （浙江浙大中控技術有限公司，杭州 310012）