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1、从现场总线到分布式自动化接口技术From Fieldbus to the Technology of Interface of Distributed Automation李海燕 杨佃福 徐毓军(清华大学自动化系,北京 100084)摘 要 简要总结了现场总线与以太网技术的三种整合方法以及各自的优缺点。较为详细地介绍了一种试图用以太网代替现场总线的新兴技术 分布式自动化接口(IDA) ,指出IDA有可能是控制网络的未来发展趋势。关键词 现场总线 分布式自动化接口 以太网 控制网络Abstract Three integrating methods of fieldbus and Etherne
2、t technology and their advantages are summarized in brief. A newly developed technology ,interface of distributed automation (IDA) , is introduced in detail. The technology intends to replace the fieldbus with Ethernet The paper stated that Itwould be possible for IDA to be the future developing tre
3、nd of control network.Key words Fieldbus Interface of distributed automation Ethernet Control network1 控制网络发展的回顾与展望19世纪80年代,随着微电子技术的快速发展,在工业控制领域里出现了数字化、 智能化的现场设备。这些设备与控制系统之间需要传输巨大的信息量,一种全数字化、 双向、 多变量的通信网络 现场总线应运而生。现场总线的出现,为工业自动化带来了一场深层次的革命。控制专家们纷纷预言,FCS将成为21世纪控制系统的主流。但是,任何事物总是优点与缺点同在,先进与落后并存的。现场总线也不
4、例外。多年的工程实践使传统现场总线的低速率、 高成本、 多标准、 难以实现水平方向和垂直方向的信息集成等种种缺点逐渐暴露出来。与此同时,在更广阔的信息交换与沟通领域里,以太网技术正日渐显现其强大的生命力,并逐步成为当今网络的主流。在国际互联网、 各种商业网络以及办公室自动化领域,以太网已经成为事实上的标准。当前,10M/ 100M的以太网技术已经成熟,千兆以太网技术日臻完善,万兆以太网也开始初露锋芒。以太网除了技术上的优势(高速率、 统一的通信协议等)外,还拥有经济上的优势。由于以太网在全世界范围内的普及,其网络互联设备进入大规模生产阶段,因此成本急速下降,昂贵的现场总线设备无法与之相抗衡。另
5、外,几乎每家企业都拥有熟悉以太网维护和使用的技术人员,而不需要像现场总线那样需要另外培训,这就使得以太网的拥有成本较现场总线更为低廉。如果能将其应用于工业控制的现场,那么整个企业网络就只存在一种底层通信协议,不仅易于实现水平方向的信息集成,而且还可以将现场数据轻而易举地垂直集成到企业的信息系统当中,其间无需经过任何转换。以太网的优势地位是显然的,但它在其它应用领域中看来无关紧要的缺点对于工控领域来说却是致命的。传统的以太网技术是共享信道的,采用CSMA/CD的媒体访问控制方式。这样一种通信方式无法保证节点信息的及时发送,是一种非确定性(nondeter2ministic)的网络,不能用于对实时
6、性要求颇为严格的控制场合。如果说非确定性是妨碍传统以太网用于工业控制的致命缺点,那么对于飞速发展的网络技术而言,没有什么缺点是技术上无法克服的。首先,以太网速率的提高使得网络负荷不断减轻,从而提高了响应时间的确定性。其次,采用交换技术和星型拓扑,摒弃CSMA/CD的通信方式和总线拓扑,完全可以使网络中任何一个节点独享十兆、 百兆甚至千兆的带宽,这样优越的响应特性对于任何一例工业应用都足可胜任。如果将全双工技术与交换技术结合在一起,则以太网的性能就更为出色,以致10/ 100BaseT的全双工交换式以太网就可以被视为确定性的网络。除此之外,一系列加固的、 适合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器
7、件,如导轨式收发器、 集线器、切换器、 连接件甚至保护等级为IP67的RJ - 45连接器已经被开发出来,这使得以太网硬件能够实质上用于严苛的工业环境1。凡此种种,为以太网进入实时控制领域创造了条件。1从现场总线到分布式自动化接口技术 李海燕,等2 现场总线与以太网的整合以太网介入控制已经成为不争的事实。面对如此巨大的压力,各个现场总线厂家都在保护已有技术和投资的条件下拓宽自己的生存空间。到目前为止,各家现场总线相继推出整合了以太网技术的新一代现场总线的技术和产品,有的已经进入实际应用和推广阶段。在这种形势下,整合现场总线与以太网以及对以太网用户层的争夺已经代替了多种标准的混战而成为现场总线领
8、域的热点。各家现场总线整合以太网的方法各具特色,概括起来大约有三种2: 封装法。典型代表:ControlNet和DeviceNet联合推出的Ethernet/ IP、Foundation Fieldbus推出的HSE和Schneider Electric开发的Modbus2TCP/ IP。封装的方法是,将现场总线的报文作为 “用户数据” 原封不动地嵌入到TCP/ IP的数据帧中,然后放到以太网进行传送。这种方法的优点在于不需要花时间制定新的规范,容易向下兼容现有的总线系统,而且可以同时传输几种不同现场总线的数据。其缺点是,由于现场总线的报文经常很短,而以太网的帧却很长,因此常常需要填入一些无效
9、的内容,这样就极大地降低了报文的效率。这种方法更适合于长数据信息的传送。 拆分法。典型代表:InterBus On Ethernet。拆分法是封装法的逆向实现,它是将较长的TCP/ IP数据帧拆开嵌入到InterBus报文中进行传送。这些被分割的数据包将在接收方重新装配从而恢复为原来的TCP/IP报文。这种方法的优点是:原有的InterBus设备仍然可以在现场继续使用,正常运行时的现场总线短报文信息传输效率大大提高。需要拆开传送的长报文主要用于传送程序和组态信息,这种传送出现的几率稍低,而且对实时性的要求也低。 网关/代理服务器法。典型代表: PROFInet。整合的方法如下:通过网关/代理服
10、务器进行以太网与现场总线之间的协议和信息转换。这种方法的优点是最大限度地保护了原有的现场总线设备。缺点是不同现场总线同时使用时,网关/代理服务器的具体实现极其繁复和困难,系统组态非常复杂,而且利用网关/代理服务器进行异构网络的通信,由于需要进行协议之间的转换,其效率是低下的,系统的实时性会因此而受到一定影响。整合了以太网技术的现场总线基本上可以实现现场控制层和企业管理层之间信息的垂直集成,无论是在技术立足点还是在系统性能方面都有了明显的提高。但是,用 “无缝集成” 来评价这样的一种 “混合网络” 严格说来还是比较勉强的,这是因为:其一,它不是真正意义上的开放系统。从整个企业的角度来看,从上到下
11、始终还是多种协议并存的局面,离 “以太网 网到底” 还有不小差距。只要设备级网络采用现场总线技术,只要现场总线的标准一天不统一,就始终存在异构网络互联的问题,无论是在垂直方向还是在水平方向。其二,没有实际意义的互操作。通过网关(gate2way)和通过OPC(OLE for process control)协议可以实现异种总线、 网络之间的互操作,但这种互操作只能在各自的主机间进行,不能在彼此的现场仪表间进行。既然无法保证控制的实时性,那么这样一种互操作就不具备实际意义3。3 以太网取代现场总线 分布式自动化接 口( IDA)事实上,即使整合了以太网技术,现场总线仍然无法满足工业控制领域日益增
12、长的新需求。这是由现场总线本身的结构特点决定的。当前,工业控制系统的网络结构趋向于分散化、 复杂化,内部的连接趋向于高速化、 紧密化。传统的可编程控制器(PLC)不能适应系统拓扑结构的分散化需求。但是自从PLC被引入工控领域开始,这种以某种设备为中心的应用范例就再也没发生过改变。即使是在宣称 “控制功能下放” 、“彻底分散” 的现场总线结构中,仍然有PLC、IPC、PC等需要独立编程的中央控制单元,这些控制单元执行了系统大部分普通控制算法和高级控制算法。我们可以看到使用控制器的种种局限4: 不同公司的控制器之间无法实现高速的实时数据传输; 无论是单一的主从式还是令牌总线式结构系统中,要想在一个
13、控制器与其它控制器之间进行数据通信是不可能的; 不在同一平面上的垂直与水平的数据通信非常困难,例如一个控制器若想从与另一个控制器相连的远程I/ O处获得实时数据几乎是不可能的; 对于若干个控制器的集成,通常没有一个广泛的逻辑上的实体单元。所有控制器像孤岛似地独立运行,而数据交换被限制在一定的速率内进行; 每个控制器管理一个独立的数据池,因此不存在全局的数据。凡此种种,已充分说明了传统经典的PLC和现场总线技术不适合工业自动化发展的新的需求。即使是2自动化仪表 第23卷第11期 2002年11月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol.23, No.11,
14、Nov. , 2002OPC、 以太网技术,只要还被使用在传统的控制结构中,就不可能对系统的功能作实质性的提高。因此,抛弃已有的现场总线,在以太网上建立一个全新的实时通信用户层,从而构建以Ethernet为基础的全新的控制网络,是将以太网用于工业控制的另一个自然而大胆的思路。典型代表是:分布式自动化接口 IDA (interface for distributed automation)5。IDA是一组公司(Schneider Electric、AG - E、Innotec、Jetter、Kuka、Lenze、Phoenix Contact、TRI、Sick)联合他们在以太网和互联网方面的市场
15、和技术力量所共同开发出来的分布式智能体系结构。IDA的目的是为了将工业自动化推向第三个阶段,即利用Ethernet/ Web技术实现分布式智能。目前,这个工作的第一部分也是最主要的一部分 IDA接口的定义已完成。在定义IDA接口的基础之上,IDA工作组对其体系结构模型、 通信模型、 设备的通用网页、 通用的安全性协议等方面也做了详细的规定。3.1 IDA实时通信层的技术实现通信是工业控制系统最重要的组成部分,要想将以太网用于现场控制,就必须解决在以太网上传输实时数据的问题。IDA设备之间的通信建立在现有以太网的标准和协议(如IP、TCP、UDP、HTTP、FTP、SNMP、DHCP、NTP和S
16、MTP等)之上。为了实现实时通信服务的配置和执行,IDA定义了一个面向对象的通信模型,如图1所示。该模型构建在通信对象的数据层次上,这些对象可以通过IDA的应用程序接口(API)为应用层所调用。IDA的API为安全性应用提供了特殊的支持(IDA Safety API)。图1 IDA通信模型 IDA通信模型同时提供实时服务和非实时服务。前者由IDA的API层提供,包括:数据发布(data distri2bution)、 按需数据交换(on2demand data exchange)、 远程方法调用(remote method invocation)以及事件通知(eventnotification)。后 者 包 括:基 于 网 页 的 诊 断 和 配 置(HTTP)、 文件传输(FTP)、 网络管理(SNMP)、 地址管理(BOOTP/ DHCP)和邮件通知(SMTP)。因此,现有的以太网协议完全可以支持IDA提供的非实时服务,其实时服务主要通过一
