工业以太网及其嵌入式应用研究(一)

azhi61

1 引言
在控制网络中，各种现场总线曾占据了整个市场，但是随着信息技术的发展,各种总线已经不能满足企业的信息需要，成了企业信息化的一个瓶颈。而且由于控制网络的标准不统一而导致控制网络间互连以及控制网络与企业上层网络交换数据出现了代价过高等问题。能否用已经在办公自动化网络中广泛使用的以太网来代替各种现场总线？以太网应用于工业现场要解决一些什么样的问题？这些都是急需解决的问题,所以,工业以太网的研究课题日益受到各研究机构的重视。

2 工业以太网的研究背景
在现代工业控制中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制需要一种分布式实时控制系统来实现控制任务[1]。在分布式实时控制系统中，不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络，以信息传递的方式实现的。为了满足任务的实时要求，要求任务之间的信息传递必须在一定的通信延迟时间内。从信息传送到信息接收之间的全部通信延迟，称作端到端的通信延迟，它主要包括产生延迟、排队延迟、传输延迟和发送延迟四方面的因素。其中，排队延迟由通信网络的MAC层决定。
为了满足工业控制中对时间限制的要求，通常采用具有确定的、有限排队延迟的专用实时通信网络，典型的实时通信网络就是现场总线。

2.1 现场总线

现场总线，按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统(FCS)。
从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有:基金会现场总线FF(FoundationFieldbus)、控制局域网络CAN(Controller Area Network)、局部操作网络Lon Works(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process FieldBus)和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)以及DeviceNet、ControlNet、P-NET等。
面对如此之多的现场总线，用户如何选择？为解决这个问题，国际电工委员会IEC在1984年就开始筹备制定单一现场总线国际标准。然而，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，围绕着现场总线技术的标准进行了一场大战，最后经过多方妥协，于1999年底通过了包含FF、Profibus等八种总线在内的IEC61158，没有实现制定单一标准的目标。这个结局表明，在今后相当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临困难的复杂局面[10-12]。无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案。

2.2 传统的现场总线系统结构

现场总线系统(Fieldbus Control System,，FCS)[12]由于采用了智能现场设备，能够把原先集散控制系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统实现了彻底的分散系统。现场总线控制系统结构如图1所示。

一般认为集散控制系统是属于封闭性的控制系统，而FCS是开放性的系统。但事实上，目前各种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面，使得现场总线不具备真正的开放性，按不同总线标准生产的设备之间也不可能实现互换。

2.3 现场总线存在的问题

标准不统一。现场总线多达十多种，应用广泛的就有八种之多，包括有:FF的H1，Control Net，Profibus，Interbus，P-net，WorldFIP，Swiftnet，FF之高速Ethernet，即HSE。其中，P-net 和Swiftnet是专用总线，Control Net，Profibus，Interbus，

图1 现场总线控制系统结构图

WorldFIP是从PLC发展而来的，H1和HSE是从传统的DCS发展而来的。
各种总线和企业管理网络不兼容，不便于和企业的信息集成。现场总线本身标准繁多，网络速度低，而且和企业现行管理网络不兼容，企业现行网络绝大部分都是基于统一的以太网。与企业管理网络的不兼容导致了企业实施信息化的一个瓶颈，企业实施ERP也就失去了现场的信息来源。

如上所述，由行业与地域发展历史等原因，行业众多，需求各异，加之各公司和各集团受自身商业利益的驱使，现场总线难以统一国际标准。这种情况明显违背了当初开发现场总线的初衷。发展共同遵从的统一标准，真正形成开放互连的系统，是大势所趋。

2.4 现场总线的出路

现场总线经过14年的争论也无法达成统一，多标准等于无标准，现场总线有以下几种出路:
(1) 各种总线统一到1-2种，IEC61158支持8种现场总线标准本身就说明了这种情况不太可能;
(2) 开发所有现场总线通用的接口，这种做法难度大、而且成本高;
(3) 各组织不理睬IEC61158，采用自主知识产权的协议，这不符合经济全球化的趋势;
(4) 采用已经是国际标准的Ethernet、TCP/IP等协议，并使其在工业领域成熟应用，易于各国用户，集成商，OEM和制造商接受和欢迎。

以太网在办公自动化网络中得到了广泛应用，但是由于工业现场环境比办公现场环境要恶劣得多，工业领域对网络的可靠性、实时性等性能的要求十分严格，所以如果以太网要想在工业现场取得成功，必须对其作改进。