自動(dòng)化控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的互連 - 全文

以往以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場總線系統(tǒng)的最大障礙是以太網(wǎng)的不確定性，因?yàn)橐蕴W(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層采用CSMA/CD介質(zhì)訪問控制協(xié)議，這種協(xié)議在輕載的情況下，效率極高，但在負(fù)載較重的情況下，由于協(xié)議在有沖突時(shí)會(huì)暫停一段隨機(jī)時(shí)間后重試發(fā)送，這樣就影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。這對實(shí)時(shí)性要求非常嚴(yán)格的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)來說是不能容忍的，而且以太網(wǎng)所用的設(shè)備，包括接插件（connector）、集線器（hub）、交換機(jī)（switcher）和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。還有以太網(wǎng)抗干擾性能較差，不具備本質(zhì)安全性能，且不能向現(xiàn)場儀表供電。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，100M的以太網(wǎng)目前成為主流，萬兆的以太網(wǎng)也投入實(shí)際運(yùn)行，以及交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，從根本上解決了以太網(wǎng)因碰撞而產(chǎn)生的傳輸時(shí)間隨機(jī)性較大的問題。并且以太網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠商也在開發(fā)符合工業(yè)現(xiàn)場要求的設(shè)備，以滿足要求。同時(shí)，它還具備以下特點(diǎn)：

1、以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持Ethernet的應(yīng)用開發(fā)，如Java、Visual C++、Visual Basic等。這些編程語言由于使用廣泛，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景。因此，如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。

2、成本低廉。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，而且由于應(yīng)用廣泛，硬件價(jià)格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus、FF等現(xiàn)場總線的十分之一，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降［34］。

3、通信速率高。目前100M的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1000M以太網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，萬兆以太網(wǎng)也已經(jīng)投入使用，其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多。以太網(wǎng)可以滿足對帶寬的更高要求。

4、軟硬件資源豐富。由于以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗(yàn)，對其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

5、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｓ捎谝蕴W(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入。并且，在這信息瞬息萬變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展在很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

因此，如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以避免現(xiàn)場總線技術(shù)游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場總線技術(shù)和其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)、共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，在技術(shù)升級方面無需單獨(dú)的研究投入。今后，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必然向圖4.1發(fā)展。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1、整個(gè)系統(tǒng)完全建立在網(wǎng)絡(luò)上，系統(tǒng)的各種功能由各組成部分通過一致的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議共同完成，整個(gè)實(shí)現(xiàn)全開放，用戶不會(huì)受任一廠家產(chǎn)品的限制。用戶所需的各種系統(tǒng)組成部分，例如控制軟件、操作軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等，都可以從不同的廠商那里購買，并自主地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的真正全開放。

2、由于通過交換以太網(wǎng)和路由器實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場儀表、設(shè)備的高速互連，系統(tǒng)復(fù)雜控制功能可以安排在網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺(tái)甚至同時(shí)安排在幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)控制功能的全分散和互相備份、冗余，系統(tǒng)可靠性大大提高。

3、由于控制算法可以分散在多個(gè)計(jì)算機(jī)上，大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)以前難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。甚至可以讓一臺(tái)計(jì)算機(jī)只用于實(shí)現(xiàn)某一特別復(fù)雜的控制算法。

4、系統(tǒng)功能可以同時(shí)分布到幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)操作帶來很大的靈活性。幾個(gè)操作人員可在幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)工作，如果任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，操作人員可以立即轉(zhuǎn)移到其他計(jì)算機(jī)上繼續(xù)進(jìn)行操作。

5、系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線上的儀表、設(shè)備主要用于數(shù)據(jù)的采集和控制的輸出以及實(shí)現(xiàn)簡單的控制算法。計(jì)算機(jī)則可以利用軟件設(shè)計(jì)的高度靈活性，虛擬實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線站點(diǎn)，并在整個(gè)系統(tǒng)中起核心作用。這樣可以將不同的現(xiàn)場總線集成在一個(gè)分布式控制系統(tǒng)中，從而緩解不同現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和互操作的壓力，保護(hù)生產(chǎn)廠家和用戶的既有投資。當(dāng)用戶需要擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模時(shí)，可以采用任一種類的現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)多種類型現(xiàn)場總線的系統(tǒng)集成。

6、由于以太網(wǎng)和互連網(wǎng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)互連，系統(tǒng)能夠方便地支持通過互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。

使用隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連

現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)是有很大不同的：FF基金會(huì)現(xiàn)場總線的互連模型中包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層等結(jié)構(gòu)；而以太網(wǎng)、TCP/IP互連參考模型則包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP層、傳輸控制層、應(yīng)用層。二者物理層、數(shù)據(jù)鏈路層完全不同，并且基金會(huì)現(xiàn)場總線沒有IP層和傳輸控制層，但FF對應(yīng)用層有詳細(xì)的規(guī)定，而以太網(wǎng)、TCP/IP互連參考模型中，應(yīng)用層協(xié)議是由程序自定義的。

以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的互連，可以采用類似隧道技術(shù)的方法，如圖4.2所示，這樣對于應(yīng)用程序而言是透明的，應(yīng)用程序只知道不在同一網(wǎng)段上，不會(huì)感覺系統(tǒng)是由兩種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。

隧道技術(shù)是通過將待傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)經(jīng)過加密和協(xié)議封裝處理后再嵌套裝入另一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，像普通數(shù)據(jù)包一樣發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)跨越公共網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)送私有數(shù)據(jù)包的目的，是一種用于異型網(wǎng)絡(luò)之間互連并傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)兩種異型網(wǎng)絡(luò)連接之間的路由器時(shí)，路由器并不象一般的路由器對幀頭部進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和地址判斷并轉(zhuǎn)發(fā)，而是將數(shù)據(jù)幀作為分組再加上自己的幀頭部，向同樣位于中間網(wǎng)絡(luò)的另一路由發(fā)送。另一路由收到數(shù)據(jù)后，和剛才的路由器所作的相反，去掉幀頭，繼續(xù)向后繼網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，數(shù)據(jù)和到達(dá)第一個(gè)路由器時(shí)完全一樣。整個(gè)過程中，中間網(wǎng)絡(luò)可以被看成是兩種網(wǎng)絡(luò)互相通訊的隧道，分組完全不必關(guān)心中間經(jīng)過什么樣的網(wǎng)絡(luò)，因此大大簡化了路由轉(zhuǎn)發(fā)和尋址的工作。

在模型中的路由器現(xiàn)場總線接口處，只有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，這是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最基本的層次。路由器采用地址掩碼的形式進(jìn)行目的地址判斷。

當(dāng)路由器總線接口處的數(shù)據(jù)鏈路層，把從物理層得到的數(shù)據(jù)幀傳給以太網(wǎng)接口時(shí)，以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)幀加入到有效的IP分組載荷字段中，向以太網(wǎng)廣播。需要從現(xiàn)場總線接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，如果收到相符的報(bào)文，則從中取出數(shù)據(jù)提交給上層［39］。數(shù)據(jù)報(bào)文在以太網(wǎng)上的廣播和接收，可以通過套接字Socket來輕易地實(shí)現(xiàn)。Socket是用于TCP/IP協(xié)議下通訊的一個(gè)服務(wù)接口，它實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議在傳輸層定義的幾個(gè)常用服務(wù)原語。使用Socket時(shí)，IP地址和一個(gè)Socket綁定，因此一個(gè)Socket是面向一個(gè)應(yīng)用程序的。用戶只需要對Socket進(jìn)行發(fā)送或接收操作，就可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器點(diǎn)對點(diǎn)的Socket通信。這種操作對于用戶來說是完全透明的，用戶不必關(guān)心傳輸層以下各層的工作情況。

整個(gè)系統(tǒng)的通信建立在Ethernet、TCP/IP和現(xiàn)場總線的混合通信協(xié)議之上，通過隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速Ethernet與相對低速的現(xiàn)場總線的互連，以實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控單元和現(xiàn)場智能設(shè)備的互連和互操作。系統(tǒng)的信息傳輸機(jī)制如下：當(dāng)上層監(jiān)控單元需要向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送信息時(shí)，它首先基于Ethernet和TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送給路由器，讓路由器對設(shè)置命令及參數(shù)進(jìn)行加密、打包，并加上現(xiàn)場總線協(xié)議相應(yīng)的幀頭部，再傳到現(xiàn)場總線上；現(xiàn)場設(shè)備向上層監(jiān)控單元發(fā)送信息的過程與此相反。

在本協(xié)議模型中，還有一個(gè)重要的功能模塊——系統(tǒng)管理模塊。該模塊負(fù)責(zé)整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)工作，并對現(xiàn)場總線上的預(yù)留地址進(jìn)行管理和分配。任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)想要和現(xiàn)場總線進(jìn)行互連，都必須由系統(tǒng)管理模塊分配一個(gè)在現(xiàn)場總線上的虛擬地址。

該模型能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場總線接入以太網(wǎng)，同時(shí)所采用的是所必需的最小協(xié)議層次集合，可以保證轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間最小，從而滿足實(shí)時(shí)性方面的要求。