工业Ethernet在远程实时控制系统中的具体应用

摘要：为实现企业ERP、MES、PCS三层信息一体化的集成以及不同总线产品之间的信息互连、互换、互操作和统一组态，提出了将工业Ethernet技术融合到FCS的观点，并将其成功实施应用，取得了较好的经济效果，实现了工厂信息自动化。阐述了系统设计的关键技术以及设计技巧。 关键词：工业Ethernet 控制 FCS 系统集成 工厂信息自动化 随着现代工厂信息自动化进程的加快，企业逐渐将管理、决策、市场信息和现场控制信息结合起来，实现企业资源规划ERP（Enterprise Resource Planning）、生产执行系统MES（Manufacturing Execution system）、生产控制系统PCS（Process Control System）三层信息一体化的解决方案。在PCS设计过程中，通常采用的是现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。但由于现场总线相互之间兼容性差、生产现场自控设备的种类繁多，导致不同的总线产品之间无法实现互连、互换、统一组态及互操作；而Ethernet具有通用性强、技术成熟、带宽迅速增加等特性。在现场总线控制网络中，将价廉物美的Ethernet设备应用到现场控制网络已成为必然趋势。本文将阐述利用工业Ethernet技术和FCS融合技术实现工厂信息自动化的案例。 1 工业Ethernet技术及其在工业中应用的改进[3～4] 现场控制网络要求具有较强的实时性。而Ethernet由于采用的是CSMA/CD协议，使其天生缺乏确定性（Determinism）和鲁棒性（Robustness），必须对其进行改进方可应用。 （1）将传统的总线式结构改为星形连接结构，并为连接在端口上的每个网络节点提供独立的带宽，使连接在同一交换机的不同节点之间不存在资源争夺，降低总线上数据发生碰撞的次数，增加系统的确定性； （2）采用数据交换技术，以提供数据缓冲、提高数据网段的智能，降低数据冲撞和重发概率； （3）采用TCP/IP协议，确保数据安全可靠到达接收方。在网络链路层中所有硬件对TCP/IP的应用是透明的，TCP为传输控制协议，而IP为网际协议。TCP/IP为数据传输提供了可靠的、面向连接的通信，它位于ISO/OSI模型中的网络层，负责将数据信息拆分为固定格式的数据包，并将数据包按一定的路径传输到的接收方，然后在接收方将数据包分解并重新组合成原始的数据信息。 （4）提高Ethernet通信速率，以进一步增强其确定性。通信速率的提高意味着在相同的通信量的条件下网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻又意味着网络确定性的提高。目前，100M甚至1000M的自适应网络已在局域网、城域网中普遍应用，10000M正在研制之中，为工业Ethernet奠定了坚实的基础。 （5）增强Ethernet接插件、交换机、通信电缆等抗干扰能力。由于工业现场环境十分恶劣，采用带屏蔽的双绞线或光纤通信方式是解决此问题行之有效的方法。 可以说，工业Ethernet向控制层通信渗透、应用于过程自动经的监控级、与FCS融合使用已成必然，同时它还可解决大规模系统中实时性和可靠性之间的矛盾。 2 设计关键技术 （1）一个网络测控系统最为重要的是要具很强的安全性。如果一个企业的Intranet和Infranet受到恶意攻击，造成生产过程的中断或者生产过程事故，将会造成比金融、电子贸易等网络受到攻击时更为严重的灾难，因此在设计时将网络安全性考虑放到第一位。本设计采用的是具有身份鉴别和报文鉴别特性的数字签名、加密解密技术，同时加入防火墙，而不采用通过操作密码登陆Intranet来赋予不同操作人员的权限方法； （2）采用基于B/S（Browser/Server）和TCP/IP框架构成Web Client以及Terminal Server Client方式进行远程实时生产过程监控和在线检测设备健康状态，实现了车间的测、控、管的统一，真正实现了工厂信息自动化； （3）远程监控通过Interent方式实现，而不是通过电话线拨号登陆方式直接与设备相连，从而改善了以往远程监控通过Modem造成的成本费用高、工作效率低、可用性不高以及传输速率低的现象； （4）使用免IP地址协议技术。由于设计中采用了Web Client和Terminal Client并使用了Internet方式，实现远程监控必须为Web Server或Terminal Server设定IP地址。而在Internet上申请一个固定的IP地址费用十分昂贵，采用免IP地址协议技术，大大降低了企业的设计成本。 3 系统设计技术与实施 系统组成框图与网络布线见图1所示。 整个车间采用100M快速以态网为主干，100M到桌面的快速以态网网络系统。而在整个厂级的网络，从当前的100M快速以态网升级为ATM网，系统采用星型网络拓扑结构。各部门交换机采用622M ATM接口与主交换机相联，科室与大部门之间通过155M ATM接口与主交换机相联，网管工作站、数据库服务器通过100M以态网接口直接与主交换机相联，各部门服务器通过100M以态网接口与部门交换机相联。各部门的其它节点通过Corebuilder 3300交换机接收部门交换机上。主交换机与部门交换机之间通过光纤连接，其它用双绞线连接。 3.1 B/S（Bowser/Server）模式 为了防止车间级大量的实时在线检测和控制信号发生瓶颈效应、阻塞网络，采用B/S模式，它是借助于HTTP协议和Web技术，由C/S（Client/Server）模式不断改进发展而来的。在B/S模式中，用户的业务逻辑可以放在Web服务器上，使网络流量大大降低；同时，客户端还进一步“瘦”到只有浏览器，极大地减轻了客户端的负担和维护量。从根本上说，B/S模式将C/S模式从二级结构升级为三级结构，使逻辑更为清晰合理。B/S模式带来的优点是： （1）使用简单、易于维护； （2）保护企业投资 由于B/S模式采用标准的TCP/IP、HTTP协议，它可以与企业的现有网络很好地结合； （3）信息共享度高 HTML是数据格式的一个开放标准，同时采用MIME（Multipurpose Internet Mail Extension protocol）技术，使Browser可访问多种格式文件； （4）扩展性好 TCP/IP、HTTP的标准性使得B/S模式可直接连入Internet，具有良好的扩展性； （5）安全性好 防火墙技术将保护现代企业网络的安全性。 3.2 现场瘦型服务器以及数据传输协议 现场控制单元瘦型服务器选择ADAM5000/TCP[5]，其内部和外部的数据通信几乎没有区别，正是所谓的“网络就是控制器”。在ADAM5000/TCP中，Ethernet是控制器的一部分并作为连接现场智能控制模块的控制网络。网络集线器被集成在每个控制器中，通过分配空间把内部通信从外部通信中分离开来，此集线器技术和底层协议的集成确保了Ethernet的确定性和兼容性，几乎可以排除数据通信的碰撞问题。把Ethernet系统总线看作是现场总线，它可以连接到每个独立的智能控制模块。整个过程和系统被看成一个逻辑单元，甚至一个独立的现场控制单元，不需考虑网络各层概念，由此就消除了CPU的瓶颈效应。所有数据在网络层中仅表达一次，网络扮演了真正服务器的角色，这正是工业Ethernet能成功地被应用到实时工业控制环境的一大理由，它使网络实现了从现场控制单元到Internet、Intranet、管理层的直接通信。ADAM5000/TCP的特性如下： %26;#183;ARM 32Bit RISC CPU、4M RAM、512kB ROM用户区域； %26;#183;10/100M Base T； %26;#183;Modbus/TCP、TCP、UDP（User Datagram Protocol）、IP、ARP（Address Resolution Protocol）等； %26;#183;时间响应时间≤5ms。 要使工业Ethernet很好地和现场总线控制系统融合，必须要考虑现场设备与现场通信协议。综合考虑后，选择了Modbus/TCP协议（ADAM5000/TCP采用的是Modbus/TCP）。它由Scheider公司公布，是把Modbus总线协议捆绑在TCP协议上形成的，因其支持IDA（Interface of Distributed Automation）而被许多厂家或协会支持。IDA采用包括HTTP和XML在内的开放Internet协议，不需要提供地址帧、确认帧等额外信息，仅需要极少量的网络资源，同时还能提供严格的时间同步，因此可以应用于实时性要求较高的工业控制环境。这正是本系统选用ADAM5000/TCP的理由。 3.3 OPC的开发应用 OPC （OLC for Process Control）的基础是Microsoft的OLE、COM以及DCOM技术，它是现场设备级和过程管理级进行信息交互的开放的接口标准和技术规范，支持分布式或异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作。从数据传输角度说，OPC服务器的实质就是一个网关，一方面要从现场设备读取数据，同时还要把来自不同类型的FCS的不同类型的数据转化成统一的OPC数据格式，实现信息系统的集成。由于OPC技术标准比较复杂，目前只有一部分FCS设备提供了OPC的接口驱动。对没有提供OPC接口的现场设备采用ActiveX控件完成。 3.4 基于ODBC（Open Database Connectivity）开放数据库的互联模式 开发基于Web的远程监控系统的关键一点是如何将实时在线生产和检测的重要数据上传到网上，供合法用户浏览，同时又能保证测控网的安全。因此，数据库的连接方式就显得格外重要。利用开放数据库互联技术实现信息集成一般有两种方式：DDE（动态数据互联）和ODBC的信息互联。由于本系统选用的是SQL Server数据库管理系统，为了使B/S模式充分利用企业的Intranet资源、降低成本、方便开发和维护，选择了基于ODBC的互联方式。基于ODBC实现的B/S模式的信息互联方式如图2所示。 3.5 负载均衡 Web服务器同Web浏览器之间的信息交换采用的是HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）安全超文本传输协议，保证了它们之间的通信安全。在系统运行时，Web服务器往往要支撑大量而又密集的用户点击和对内容的动态需求，需要在多个服务器设备之间多个站点之间分散服务器的负载，即网络负载均衡问题。 “均衡”是一种横向扩展服务器性能的方法。本系统专门设置一台计算机来接收企业IP地址HTTP请求，并把这些请求分发给网站的各个服务器。这种分发过程通常发生在TCP/IP路由的层次上，可以透明地把这个单一的源/目标IP地址映射到一个特定的服务器上，并通过硬件的方式而不通过软件方式完成。硬件成本虽然高，但映射效率高，可以减缓现场数据的瓶颈效应发生。这种方式比常规的DNS（Domain Name Server）方式好。同时这种方式可以不断地监测Web服务器，如果某一服务器出现了故障，则可以把请求动态地重新定向到功能相同的服务器上，避免了因某一服务器的故障所导致的系统瘫痪，提高了系统可靠性。 Ethernet是信息技术中技术最为成熟、有众多硬件供应商支持的信息高速通道，它把大量的局域网联成了广域网，将其应用到工业控制领域，在现场设备中内置Web服务器，使之具备网络发布功能，又能与现场总线技术相互渗透。采用Ethernet将是工业控制网络发展的必然趋势。