“透明工厂型”工业以太网

以太网有其优势，也有其技术上的缺陷，它的研究方向应在尽可能保留原有协议的基础上，加入实时性控制措施。“透明工厂型”工业以太网正是以这种思路研究的。

以太网是一种成功的信息网络技术，进入市场已近20 年了，在办公自动化领域获得了广泛的应用。以太网具有成本低、稳定和可靠等诸多优点，它已经成为最受欢迎的通信网络之一。以太网的典型通信特点是随机接入、载波侦听、碰撞检测和竞争冲突。

然而，以太网是为面向办公自动化等实时性要求不高的领域而设计的，传输报文具有排队延迟不确定的缺陷，无法保证数据传输的实时性要求，所以无法在工业控制中得到有效的使用。随着管控一体化技术的发展，迫切要求能将管理层的以太网向下延伸，直到设备层，从而形成一个统一的无需数据转换的“透明”的数据链路。因此，工业以太网技术已经成为人们关注的重点，并把目前多种现场总线国际标准最后统一的希望寄托在其身上。

在大型控制系统中，大多采用专门为控制系统而设计的实时控制网络，称为现场总线技术。许多大公司已经为此开发出十分成熟的产品，如FF(现场总线基金会) 、Profibus (西门子) 、LonWork( Echelon) 等。工业以太网和这些现场总线相比，有其无可比拟的优势，但也有一定的局限。

工业以太网的优势与局限

以太网是统一的总线网络技术，特别是在高速数据传输方面更具优势。而现在，在工业界存在着几十种现场总线的协议标准，在多种协议并存且互不相让的情况下，已经被广泛采用的以太网如能向下延伸并进入控制层，那么它将为统一现场总线带来希望。以太网是当今世界上最流行也最成熟的网络技术，具有价格低、速度高、易于组网等优点，并且易于与Internet连接。绝大多数操作系统(Windows、Unix) 和大多数网络系统都支持以太网的通信协议。使用以太网，用户运行费用会大大降低。用户不需要再单独学习一种新的网络技术，也不必为更换设备耗费大量资金和精力。

而工业以太网也有一定的局限性。以太网的信道分配方式采用CSMA/ CD 协议，适合于突发性数据的传输，不具有实时性。在重负荷的情况下，冲突不可避免，严重时会引起系统瘫痪。在工业环境下，以太网的可靠性会有一定程度的降低，在电磁兼容性方面也有待于进一步提高。以太网并不适合所有的自动化设备，在和简单的传感器和执行器相连时，并不能体现出以太网的优越性，因为以太网的接口电路还比较复杂和昂贵。

传统工业以太网设计模型

为了将以太网应用到工业现场，国内外许多公司和研究机构都在进行各种尝试，试图对现有的以太网进行改进，并建立新的通信协议模型。传统使用的是混合型以太网模型(以太网和其他总线相连)。

这种模型其实是一种折中的方案，也是比较容易实现的方案，现在许多公司都推出工业网络架构模型，如图1 所示。在工业现场的管理层和车间层使用以太网，向上可以和Internet 连接，向下可以读取车间里各个控制子系统的状态信息。在设备层，仍然采用独自的现场总线技术，如CAN、Profibus、ASI 等。它们与以太网之间通过专用的网关连接。这种方案最大限度地利用了现有以太网所能提供的通信功能。每个网关是以太网的节点，同时也是下面子系统的主站。网关可以实现对子系统实时的控制，并把子系统内部的信息进行预处理，只把一些重要的信息按照TCP/IP 的帧格式发送到以太网上。

在网关上还可以实现复杂的以太网控制算法。这种方案的好处是避免以太网直接对传感器和执行器等底层设备的访问，减少了以太网上实时数据的传送量，减少了冲突的机会，在一定程度上避免了在恶劣的工业条件下传输实时数据出现迟延的问题。这种模型还只是一个过渡型的结构，设备现场总线的繁多协议同样影响着用户的使用，而现场总线的统一开放的思想还没有完全实现。

透明工厂

“透明工厂”是一个创造性的战略，它将构建互连网基础的技术与施耐德自动化的产品融合。其宗旨是将现存的、开放的和已经证实的技术引入市场，从而消减专有系统的集成障碍。透明工厂的实施将大大减少系统集成的工作量，也会减少从设计和概念到实际运行产品的时间。

“透明工厂”是建立在新的信息技术和通信技术基础上的，这些技术包括OPC开放、软件标准和Web技术等。“透明工厂”概念主要包含三方面的内容：基于TCP/IP 的通信、Web模式的网络应用和面向对象的编程。透明工厂的核心是Ethernet和TCP/IP。

30年前，可编程控制器的出现为工业自动化提供了革命性的动力。随后，分散控制的趋势加强了各系统部件之间的通信需求，从而带来了工业网络的迅速发展。由于工业局域网系统是专有而封闭的，同时工业网络和信息网络存在协议上的鸿沟，工业领域中信息孤岛的状况并没有得到根本改善。

实现整个企业水平和垂直方向的协调，是透明工厂体系的核心目标。透明工厂结合了工业以太网，互联网和被广泛采用的标准技术来实现生产设备的互操作性以及和管理系统的垂直方向的集成。

透明工厂中的一个显著的特点是将Web访问的功能扩展到I/O级，从而实现远程调解I/O的功能，而不仅仅是停留在访问I/O信息。

“透明工厂型”工业以太网

“透明工厂型”工业以太网是工业以太网的完全解决方案，也就是说企业网从上到下完全是由以太网组成。实现了整个工厂对用户来说是“透明”的，它的结构如图2。因为整个网络是统一的协议，所以用户可对从高层的管理层到底层的设备层的任一个设备进行访问，而无需知道这种访问是如何进行的。普通的传感器、执行器通过工业以太网I/O模块连接到以太网上，管理层的主机可采用IP 访问的方式与各个设备进行通信。这种方案的优点是现场监控网络的全面解决方案，但实现起来比较困难。主要要对以太网进行面向实时控制的修改，还要在网络层以上引入实时控制算法，弥补以太网在传输确定性数据方面先天性的不足。

关键技术及解决方案

以太网是非确定型网络，所以，要想将其应用到工业现场底层，就需要在与原来的协议兼容的情况下，对其进行协议修改和功能扩充。以太网的不安全因素主要来自于它的CSMA/ CD 监听机制，在设计“透明工厂型”工业以太网的时候，首要的问题是如何在其上建立确定性的链接或者近似确定性的链接。这可以从网络硬件的增加和控制协议的修改两个方面入手。

(1) 通信量滤波( traffic smoothing) 。通信量滤波是一种控制算法上的解决方案，它是为以太网上的每一个节点分配一个输入限制阈，每个节点介质访问控制( MAC) 层的数据传输率必须小于这个阈值，这样就可以避免以太网抢占式的数据冲突。阈值的分配有两种方法:静态分配和动态分配。静态分配是预先为每个节点设定的，在网络运行时不变。阈值是由该节点数据包的生存周期和可容忍的丢失率经过统计计算得到的。但是，它可能降低网络的使用率，在通信量不大或者某些节点无需通信的情况下，造成网络资源的浪费。

动态分配是在网络运行的时候，动态地为每个节点分配阈值。阈值是由网络的最大负荷量、激活节点的个数和数据包的最大延迟时间计算得到的。

这种方法需要在以太网上有一个监测器，通过分析碰撞的频率或者数据包的延迟时间来计算当前网络的状态来确定阈值。这增加了网络的成本还在一定程度上影响了通信速率。

(2) 主从通信模式( master-slave pattern) 。主从通信模式可以很好地满足工业总线的要求，也是目前最可靠的解决方法。图3 是一种以太网同步主从模式的时序图。从图中可见，在整个通信周期中， 主节点首先广播发送MSD (Master Synchronization Data) ， 收到MSD 后， 从节点发送SFD(Slave Feedback Data) 给主节点，控制算法采用BTF (Binary2Tree Feedback) 算法。主节点接受到SFD 后有一个保留周期( reserved cycle) ，以保证主节点能接收到所有节点发出的SFD。在计算周期( computation cycle ) 内， 主节点把图3主从式工业以太网通信时序图向各个节点发送的所有数据压缩到MCD 包中，在以太网上广播。从节点在接收到MCD 后，从中解析到自己需要的信息。然后下一个循环周期开始执行。这种方案的优点是无需对硬件进行改动，只是在应用层上添加应用程序，所需的硬件成本较小。但这种方案只适合在一个子系统里运行，不同的子系统之间通信存在障碍，很难实现从管理层到设备层的全“透明”通信。

图3 主从式工业以太网通信时序

(3) 交换式以太网。这是一种网络硬件上的解决方案。交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供了一个直接快速的点到点连接。随着现代交换机技术的发展，交换机端口内部之间的传输速率比整个设备层以太网端口间的传输速率之和还要大。这可减少以太网的冲突率，并为冲突数据提供缓存。多个交换机把整个以太网分解成许多独立的区域，以太网的数据冲突只在各自的冲突域里存在，不同域之间没有冲突。这种做法实际上是把以太网进行了更细的划分。每个设备有自己独立的通道，不需要竞争底层传输通道。而且没有更改原有的以太网协议，可直接使用普通的以太网卡，大大降低了组网的成本。这种方案也有自身难以克服的缺点。首先在交换机内部仍然存在多个通道竞争一个端口的现象，虽然在交换机内部的传输率要大得多，但终会在交换机内部引起冲突;其次，这种结构使得广播数据变得复杂起来，一个广播报文要在不同的端口重新发送，又增加了交换机的负担;最后，交换机是整个网络的连接中枢，一旦它出现问题，局部网络就会瘫痪。

(4) 冗余以太网。冗余以太网是一种硬件上的解决方案，它是一个环行的结构。这个环保证了在发送失败的情况下数据的安全传送，即使在几个节点同时失败的情况下，也能保证网络的整体性能。它需要设计一个专家系统，并为一些重要的设备配有备用设备或者备用通道。专家系统实时地监测网络的状态，分析网络的运行状况。在网络负载过大的情况下，启动备用设备或备用通道。当一台设备发生故障后，可以暂停它的工作，经过一段时间后再重新启动它。其优点在于保证网络可靠地运行，尽可能地减少冲突。但需要大量的硬件成本，而且要设计出一个完善、可靠的专家系统也非易事。

(5) 高速以太网。它尽可能提高以太网的速度，使网络的带宽很大，从而使数据冲突减小。但传输的带宽是有限的，不能无限地增加。它只是针对目前以太网的迅速增加而相对传输数据增加缓慢而提出的一种过渡型模型。

以上五种“透明工厂型”工业以太网的解决方案各有优点和缺陷，每种方案也都有许多学者在进一步研究和不断地发展完善，目前还看不出哪种方案最优。而且随着网络技术、通信技术和微电子技术的进一步发展，还会有更好的方案出现。

链接:评估工业以太网的重要指标

工业界对工业以太网的需要越来越大，因此，许多研究机构设计了小规模实验型工业以太网，对它的各项指标进行测试，以验证是否符合工业应用标准。几个重要的指标如下:

最大响应时间。对于每个节点的报文，在网络正常运行的情况下，报文从发送到接收后产生响应所经历的最大的延迟时间。

数据包丢失率。在正常工作的情况下，指定时间内数据包的丢失数目。

传输介质。普通以太网传输介质在工业现场的测试结果并不令人满意。以太网的传输介质是否能保证数据稳定、可靠地传输是重要的选择标准。

传输速率。在网络正常工作的情况下，单位时间所能传送的比特位数。

突发事件的处理。在以太网出现一些意外情况时，应有相应的紧急处理措施以保证数据的安全性。

根据有关文献报道，动态通信量滤波型工业以太网的测试条件是：帧长度为512 比特，测试时间为600秒，帧间距为9. 6微秒等。测试结果如下：通信量为3 MB/s ；最大响应时间为369.3 纳秒；丢失帧数为71 。

由测试的结果可见，在实时性要求不是很高的工业场合，这种方案基本可满足要求。

推荐访问： 以太网 透明 工厂 工业