自动化控制系统中多现场总线兼容性问题探讨 ——以太网和现场总线的互连(一)

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1.1课题的提出
          传统的工业控制网络是基于现场总线的，由于现场总线的通讯标准尚未统一，各厂商以各自的利益为目标，为了使自己的技术和产品能够占领整个世界市场，围绕着现场总线技术的标准化，展开了剧烈竞争。由此使得现场总线的标准各种各样，而各厂商的仪表设备难以在不同的现场总线控制系统（FCS）中兼容。此外，现场总线目前尚处于低速阶段，难以满足数据高速传输的需要。而且，我国在现场总线的技术水平远远落后于发达国家。
       
        基于以太网（Ethernet）的工业控制网络具有数据传输率高、可靠性好、易维护、可远程传输、互操作性好等优点，随着互联网技术的普及和推广、以太网通信速率的提高和交换技术的发展，使它受到了全球的拥护和软硬件支持，并得到了迅速发展和普及。因此，基于以太网和现场总线互连的工业控制网络是工业控制系统的发展趋势。
       
        1.2工业控制现场总线的历史和发展
          在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，大量的智能设备需要通过网络相互通信，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及管控一体化。
       
        现场总线顺应了现场设备智能化的发展趋势，它以具备数字计算与数字通信能力的现场设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的纽带，构成数字式、双向传输、全分散、多分支结构的控制网络。现场总线的出现适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，并且促使目前的自动化仪表、DCS和可编程控制器（PLC）等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革，导致工业自动化领域的一次更新换代。
       
        从信息集成的角度来看，随着计算机、控制、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场[3]。为实现工业企业的综合自动化，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的集成网络平台，不仅为数据信息的纵向传递提供通道，同时保证横向设备间的相互通信。
       
        但是现场总线技术在信息集成方面存在许多不足，现有的现场总线标准过多，仅IEC国际标准就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来，多种现场总线并存已成定局，不同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议，互相之间不能兼容，无法实现互操作[4]，无法协同工作，也无法实现信息的无缝集成。为了解决同一控制系统中多种现场总线的集成问题，在一些工程中通常是利用某种标准技术（如OPC技术等）开发能够连接其现场总线的接口。但各现场总线标准没有完全统一，需要开发大量的接口才能满足不同工控对象的需要。不少企业为了解决来自不同现场总线厂家产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。
       
        交换式以太网技术的发展，提高了Ethernet的实时能力，使得工业以太网成为一种确定性网络，而Ethernet/IP、HSE、PROFInet、iLon等新型现场总线标准的推出，更是为解决多现场总线的集成问题提供了技术基础。与其他控制网络相比，以太网的优势主要体现在：
          1、以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一
          2、设备成本下降，因为安装量的缘故，今后现场总线的成本也远远无法与以太网相比
          3、用户拥有成本下降，几乎每家企业都有具备以太网维护能力的人员，无需再专门学习
          4、以太网易于与Internet集成
          在与传统现场总线的对比测试中以太网显示出的明显优势，使其能够完全胜任控制工程中对实时性、可靠性、抗干扰性的高要求，以太网已被证明是未来控制网络的最佳解决方案。
           
          1.3以太网的“不确定性”及其解决方案
          以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等优点，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛使用。但是以太网采用总线式拓扑结构和冲突检测载波侦听多路访问（CSMA/CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，会产生传输延迟，这就是以太网的“不确定性”，研究表明，以太网的在工业应用中的传输延迟在2～30ms之间 。
           
         
           
          以太网采用的介质访问控制方法是CSMA/CD（Carrier Sensor Multiple Access with Collision Detection，冲突检测载波侦听多路访问）机制，在传送一个帧时，站点要进行以下步骤：
           

       

•                 如果站点检测到信道有信号正在传送，这时称信道中的“载波”存在，表明信道已经被占用。        
  
•                 站点必须等到信道空闲，即“载波”消失。        
  
•                 信道空闲时，站点等待一小段时间后开始进行传送帧。        
  
•                 如果两个站点同时开始传送，则它们会侦听到信号的冲突，并重新调整帧的传送。
  

         
        流程图见图1.1.基本工作原理简单说就是“先监听再行动”：某节点要发送报文时，先监听网络，如果网络忙，则等到其空闲时再发送，否则立即发送；节点发送时还要继续监听网络，当检测到冲突时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送，该随机时间由标准二进制指数补偿算法确定。当网络负荷较高时，以太网上存在的这种冲突就成了主要问题，因为它极大地影响了以太网的数据吞吐量和传输延时，并导致以太网实际性能的下降。由于在一系列冲突后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。就是说，以太网采用的CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。
       
        为解决这个问题，人们通过仔细设计，采用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段（Segment）。在每个网段上，以一个集线器为中心，将若干个节点连接起来构成星型拓扑结构。挂接在同一网段上的所有节点构成一个冲突域（collision domain），每个冲突域均采用CSMA/CD机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷大大减小，因此可以减少冲突。其特点是在基于以太网的系统中，同一时刻可以实现多通道通信，大大提高网络性能。
       
        随着快速以太网技术的发展，以太网交换技术和产品得到迅速发展并广泛应用。在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机进行隔离，实现了系统中冲突域的连接和数据帧的交换。而1997年的IEEE802.3x标准规范的全双工以太网技术，端口间两对双绞线或光纤可以同时接收和发送报文帧，不再受到CSMA/CD的约束，因此任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域已经不复存在。
          此外，以太网的通信速率也得到了极大的提高，100M以太网应用非常普遍，万兆以太网也得到较多地应用。以太网通信速率的提高，使得网络传输延时也相应缩小。
       
        总的来说，采用交换机，接入网络的节点各自独占一条线路，避免了冲突；采用高速背板交换或微处理器交换，响应时间是确定的。据ARC公司的分析，126个节点的100M交换式以太网的响应时间是2～3ms，几乎可以满足各种控制系统的要求。而采用非屏蔽双绞线，其抗干扰能力与4～20mA模拟传输线路相当。
       
        1.4以太网技术用于现场总线的研究现状
          1.4.1国外的研究现状
          对以太网在控制中的应用较早是用于电力系统的监控。IEC正在制定有关变电站自动化系统通信协议体系，其目的在于使不同厂商的产品有互操作性。这个标准目前还没有公布，从相关资料中了解到它是一个分层网络机构，其网络主干网使用的是10M以太网。
       
        美国电力研究院（EPRI）在制定UCA通信协议体系时，对以太网用于变电站自动化系统中的网络传输实时性作了研究分析，结果表明当使用交换式集线器时，10M以太网是完全可以满足实时性要求的。国际大电网会议（CIGRE）也对以太网在电力系统中应用的实时性问题作了研究，得出与美国电力研究院相同的结论。因此，选择10M以太网作为变电站自动化系统的内部通信网，其网络传输实时性是有保证的，不过前提是必须使用交换式集线器。
       
        目前几个主要的现场总线组织，如FF、Profibus、ControlNet，也在开发基于以太网的现场总线协议，更有一些公司已在开发具有以太网接口的仪表。现场总线基金会制定了HSE计划（High Speed Ethernet Program），用高速以太网作为H2的一种选择，它们已经组织了来自20个厂家、40多人组成的庞大工作组，开发现场总线与以太网的连接产品。美国的IAONA（Industrial Automation Open Networking Alliance）也致力于分析在工业自动化领域应用以太网和Internet协议的障碍，研究可行的方法，并提出相应的标准。对于传统的DCS生产厂商，他们也推出了相应的以太网产品，只不过更多是具有尝试性质。西门子公司有将Ethernet向下层通信应用的趋势，其TXP大型分布式控制系统，采用两层以太网总线结构，在总线是使用标准TCP/IP协议和自行开发的SINECAP专用协议。随着FF的HSE开发成功，Ethernet将广泛应用于过程自动化的监控级。毫无疑问，高速Ethernet完全适用于工业控制系统的监控网络。
       
        1.4.2国内的研究现状
          在我国，仪表行业及网络市场的发展相当滞后，跟不上国际发展潮流。近年来，一些院士和专家呼吁必须加快我国仪表行业的发展。“十五”期间，自动化仪表及系统已经列为我国仪表行业的发展重点。一些企业及科研单位正在将现场总线技术应用到仪表和自动化系统，但现场总线技术已经比较成熟，现场总线标准也已经制定，技术专利基本上被国际上的一些大公司或团体所垄断，我们没有自己独立的知识产权。以太网在工业领域应用和兴起无疑给我国的仪表和控制系统的技术研究提供了良好的机遇，不仅仅因为以太网具有开放性，是广泛的网络标准，具有成熟的应用经验，而且将以太网应用到工业领域还在发展之中，技术垄断还没有形成，适时地加入到工业以太网的研究中，开发出有独立知识产权的仪表和系统产品，将会极大地提高我国产品的竞争力。
       
        目前，已有一些公司和研究机构投入到工业以太网的产品开发中：
          1、北京和利时工控公司开发了拥有自己知识产权的MACS-SCADA大型综合监控系统。该系统采用骨干网、子系统高速交换以太网和本地监控网络的分层结构，利用该公司的MACS软件体系集成多专业、多子系统，能实现较大范围的监控。本地监控网络是以控制为中心的以太网，采用LAN/Fieldbus结构，利用通信控制器连接以太网和现场总线，现场总线可以采用CAN、Profibus等多种标准。利用网关、交换器等可以和第三方网络连接。
       
        2、北京和利时工控公司的FOCS系统采用以太网作为其分布式结构的通信网络。以太网卡与PLC的CPU集成在一起，统一编程界面，采用TCP/IP协议并提供开发接口。
          3、上海新华控制工程公司的分布式控制系统XDP-400.该系统的控制单元、通信网络、人机接口都采用开放式结构。XDPS采用一对冗余的实时数据高速公路连接控制单元，周期性广播实时信息及各种计算中间量，该数据高速公路采用无主无源同轴电缆构成的以太网，网络速度10Mbps，控制单元以模件为基础，带有以太网卡。XDPS另有一路采用TCP/IP协议的以太网用于传输各种文件数据及管理信息，方便与其它系统连接。
       
        4、北京亚控科技发展有限公司是专业从事工业自动化软件开发、生产、营销、服务于一体的高科技公司。该公司的组态王（工业通用组态）软件已有9000例工程的现场运行。最新开发的组态王6.5版本在国内市场有能力与国外先进的工控组态软件抗衡。此外，亚控科技的新一代产品KingACT是基于PC的实时控制软件，支持现场总线协议，如Profibus、CAN等。
       
        而在实际应用方面，80年代后期，华能大连厂和华能福州电厂从日本三菱公司引进的Midas 8000计算机控制系统就采用了当时美国DEC公司的DECNET网络软件进行过程控制信息的通信。华能大连厂和华能福州电厂自1987年先后投产以来，经过近十年的运行实践表明，Ethernet在计算机控制系统中的应用是可行和可靠的，也是成功的。华能的应用中最有特色的是当今许多计算机控制系统都采用冗余的总线网络，担心单网故障时会影响整个计算机网络的正常通信，然而华能大连电厂却成功地应用这种基于单总线小型Ethernet的Midas 8000计算机控制系统，创造出两台350MW单元机组连续安全运行2000天的优异成绩。这虽然与该厂先进的管理体制和优秀的人员素质分不开，但同时也表明Ethernet具有很强的生命力。
       
        目前在建的三峡电站的计算机监控系统机采用100M以太网系统，通过网关与电站的办公网络连接，该系统包括3台操作员站、2台历史数据库站、1台工程师站、4台事件报警打印机、45台LPU（Local Process Unit）。LPU采用双CPU结构，配有冗余的I/O模块，大部分的控制功能和控制逻辑均在LPU内实现。为了提高安全性，该计算机监控系统采用的是光纤总线。
       
        1.5本课题的任务和目标
          本文正是本着现场总线将在一定时期内向以太网靠拢，这样才能实现多现场总线的集成这个研究方向，进行了以下研究工作：

       

•                 现场总线目前还处于发展时期，具有较大的争议。本文对目前现有的几种常见的现场总线控制系统的特点及其协议进行了分析和比较，并分析了现场总线目前的应用现状和存在的问题。        
  
•                 介绍了隧道技术的基本概念和相关的协议分析。        
  
•                 研究了一种新的现场总线和以太网互连的方法，该方法使用了隧道技术的思想，将隧道技术由原本的网络层应用到数据链路层，从而简化了路由的协议模型，大大提高了现场总线和以太网之间传输数据的实时性。        
  
•                 在此基础上，给出了简单的软件仿真。该仿真主要利用Socket的方式来实现以太网和现场总线之间数据的传输