工业以太网与现场总线技术及应用

黄,霞

摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。以太网就是这样的一种网络。本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。

关键词：现场总线 控制系统 以太网 FCS

一  引言

随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。

但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。

二   以太网进入现场总线

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,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采用。它具有如下特点：

(1)以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,它受到广泛的技术支持,因此容易获得控制领域生产厂家的认可。人们对以太网技术也十分熟悉,可以显著降低系统的开发、培训和维护费用。同时,由于应用广泛,其硬件价格十分低廉。目前,以太网网卡的价格只有Profibus 、Foundation Fieldbus等现场总线网卡的十分之一。

(2)以太网通信速率高。目前速率最低的以太网是10Ｍ、100Ｍ的快速以太网也开始广泛应用,1000Ｍ以太网技术也逐渐成熟。其速率比目前的现场总线快得多,每路以太网足以支持多路现场总线。

(3)交换以太网效率高,实时性好。在交换以太网中,任意站点之间的通信通过交换机实现透明的转发,不存在信道共享引起的竞争问题,系统的通信容量成倍增加。同时,还可以方便地实现优先级排队机制,使紧急信息的传送达到最快。

(4)以太网在远程I/O领域取得了极大的进展。今天几乎所有的远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，而各种PLC也都可以和以太网互联。

这些优点使得以太网十分适合作为全分散、全开放控制系统的一部分。不但使现场总线和以太网互联成为可能，而且为各种现场总线通过以太网进行互联打下了基础。今后，在难以形成统一的现场总线协议的情况下，工业控制网络必然向图1所示方向发展。

图1 各种现场总线通过以太网互联

但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA /CD)通讯方式。即网络每个节点通过竞争来取得信息包的发送权，节点通过监听信道，当发现信道空闲时，再发送信息，如果信道忙则需要等待。在开始发送信息后，检查是否发生碰撞，如果发生碰撞，则退出信道，待机重发。不难设想，在网络比较忙碌的情况下，就可能发生某些节点的信息不能及时发送，甚至因为网络上大量节点都在尝试重发而造成网络堵塞，造成信息长时间发不出去。研究表明:商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间,这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值,从而产生了一种新型以太网—工业以太网。

三  工业以太网的研究现状

国外对以太网作为控制总线的研究已从理论阶段过渡到开发阶段。惠普公司应用IEEE1451.2标准，生产嵌入式以太网控制器具有10-BaseT以太网接口，运行FTP/HTTP/TCP/

UDP协议,应用于传感器、驱动器等现场设备。NETsilicon公司用NET+ARM体系,生产嵌入式Ethernet/Internet芯片。

近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作,其中有代表性的是ＦＦ制定的快速以太网标准,其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状,出现了两个值得注意的发展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。

3.1以太网集线器

FF将以太网技术加入到Ｈ2协议中,并以它作为Ｈ2的底层协议,其网络采用星型拓朴结构,如图2所示。图中集线器(HUB)置于网络中心并通过以太网Ｉ/Ｏ接口挂接现场设备,其中实时现场仪表和普通现场仪表(通过通道组)分别挂接在不同的以太网Ｉ/Ｏ接口上。以太网

Ｉ/Ｏ接口高速(约100KHZ)扫描所有实时现场仪表和通道组,然后传送数据包到上层控制器。

通常普通控制算法在现场控制器中进行(可由上层控制器下载),而高级控制算法则在上层控制器中进行,其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址,并用完全分离的线路传输数据,所以保证了实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。集线器作为网络的仲裁器,除了控制通信双方的传输时间外,还对传输的数据包进行优先级设置,使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网I/O口,并为之提供数据缓冲区,这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。经验证这种采用以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时间控制在200纳秒的范围之内,这已足以满足多数场合的实时控制要求。

3.2在以太网的协议中加入实时功能

一些FCS的生产商(如Control Net 、Profibus 、Modbus和Java等)在开发自己的工业以太网FCS时,在工业以太网协议中加入实时功能,此项技术被称为“地道”,它其实仅仅是在设备中加入特殊的协议芯片。

四  采用工业以太网的控制系统结构

  工业以太网还可以用来进行不同类型总线段之间的集成，如图2所示。

图2 用以太网进行总线集成

五   应用实例

实例1是Bayer AG公司最近在其产高度腐蚀性产品的化工厂中成功地在原现场总线(Profibus)的基础上应用了工业以太网控制网络，并且把所有的现场设备、控制器件和个人计算机工作站集成为一个高度可靠、低耗和实时的控制系统，系统最大限度使用了数字化通信和分布式计算技术。

主要的现场设备通过GE Field I/O连到控制系统，每个Field I/O可直接连接超过20个Foxboro Micro I/A现场级控制子系统。Field I/O和Micro I/A安装在靠近现场的全封闭式安全柜中。Micro I/A可进行逻辑控制、批量控制和连续控制。

现场仪表通过Field I/O设备连到工业PC上。它除了进行逻辑控制和安全互锁外，还能实现过程点所要求的普通控制算法。工业PC通过工业以太网和装有Windows NT操作系统的工作站进行通信，在工作站保存高级控制算法，其控制输出通过以太网下载到需要高级控制运算的现场仪表。FoxborosI/A系列工业软件在工作站可为用户提供报警、数据趋势、历史记录、分析、报告和为操作者专门设计的可视化界面。

实例2是在德克萨斯州的实验室中进行测试的HSE连接器技术。在这个现场演示控制系统中，数个H1现场总线网段通过连接器连接到HSE主干网上。H1现场设备控制着水位，流量和其它回路，还监视了许多测量量如温度等。

HSE主机用来组态和监控连接器及H1设备。每个H1网段 有 它 自 己 的 链 路 活 动 调 度 器 (LAS , Link ActiveScheduler)，这些LAS存在于连接器中，负责各H1网段的链路调度。 LAS使H1网段在HSE主机脱离主干网的情况下仍能工作。

所有或部分HSE网络和设备可以通过冗余来达到容错目的，有3种形式：(1)非冗余----组态程序监控设备状态，如果有错误则重新组态；(2)松散式冗余----备份设备监控主设备状态，在故障时取而代之；(3)紧凑式冗余----备份设备与主设备同步运行，监控主设备状态，在故障时取而代之。

六  结束语

工业以太网的介入为FCS的发展注入了新的活力,随着FCS国际标准的推出以及有关技术问题的突破性进展,一个代表新世纪潮流的工业以太网的现场总线控制系统时代就会到来。

七  参考文献：

[1]张德强，朱钢毅，等. 现场总线技术与工业以太网在燃料管控的结合应用[J].煤质技术，2022,37（2）：31-38.

[2]荀庆来 .工业以太网的应用分析[J].科学技术创新，2019，12:72-73.

[3] 江壮生，黄扬根.基于以太网高速现场总线应用设计机械工程技术，2019,48（08）

[4]罗泽鹏.工业以太网网络通信技术的研究[J].信息与电脑，2021,06:219-221.

[5]王宏，杨志家.基于以太网的工业控制网络2004（4）：181-186.

[6]姜涛.现场总线控制系统的应用优势[J]. 科学观察，2010（6）:103-106.

[7] 陈平，张安年.工业以太网在现场总线控制系统中的应用[J]. 洛阳工学院学报 2000(1) : 65-68

[8]张继东、张卫东、许晓鸣 现场总线与以太网互联研究 计算机工程 2001、5：19-21

作者简介 黄霞 (1980-)，女，实验师，硕士，研究方向：电子信息工程

基金项目

中南民族大学教学研究项目“以任务为导向虚实相结合的电工电子实验教学模式的研究与探索”(编号：JYX20120)