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工業(yè)Ethernet在遠程實時控制系統(tǒng)中的具體應用
摘要：為實現(xiàn)企業(yè)ERP、MES、PCS三層信息一體化的集成以及不同總線產品之間的信息互連、互換、互操作和統(tǒng)一組態(tài)，提出了將工業(yè)Ethernet技術融合到FCS的觀點，并將其成功實施應用，取得了較好的經(jīng)濟效果，實現(xiàn)了工廠信息自動化。闡述了系統(tǒng)設計的關鍵技術以及設計技巧。關鍵詞：工業(yè)Ethernet控制FCS系統(tǒng)集成工廠信息自動化
隨著現(xiàn)代工廠信息自動化進程的加快，企業(yè)逐漸將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結合起來，實現(xiàn)企業(yè)資源規(guī)劃ERP（EnterpriseResourcePlanning）、生產執(zhí)行系統(tǒng)MES（ManufacturingExecutionsystem）、生產控制系統(tǒng)PCS（ProcessControlSystem）三層信息一體化的解決方案。在PCS設計過程中，通常采用的是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）。但由于現(xiàn)場總線相互之間兼容性差、生產現(xiàn)場自控設備的種類繁多，導致不同的總線產品之間無法實現(xiàn)互連、互換、統(tǒng)一組態(tài)及互操作；而Ethernet具有通用性強、技術成熟、帶寬迅速增加等特性。在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡中，將價廉物美的Ethernet設備應用到現(xiàn)場控制網(wǎng)絡已成為必然趨勢。本文將闡述利用工業(yè)Ethernet技術和FCS融合技術實現(xiàn)工廠信息自動化的案例。
1工業(yè)Ethernet技術及其在工業(yè)中應用的改進[3～4]
現(xiàn)場控制網(wǎng)絡要求具有較強的實時性。而Ethernet由于采用的是CSMA/CD協(xié)議，使其天生缺乏確定性（Determinism）和魯棒性（Robustness），必須對其進行改進方可應用。
（1）將傳統(tǒng)的總線式結構改為星形連接結構，并為連接在端口上的每個網(wǎng)絡節(jié)點提供獨立的帶寬，使連接在同一交換機的不同節(jié)點之間不存在資源爭奪，降低總線上數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的次數(shù)，增加系統(tǒng)的確定性；
（2）采用數(shù)據(jù)交換技術，以提供數(shù)據(jù)緩沖、提高數(shù)據(jù)網(wǎng)段的智能，降低數(shù)據(jù)沖撞和重發(fā)概率；
�。�3）采用TCP/IP協(xié)議，確保數(shù)據(jù)安全可靠到達接收方。在網(wǎng)絡鏈路層中所有硬件對TCP/IP的應用是透明的，TCP為傳輸控制協(xié)議，而IP為網(wǎng)際協(xié)議。TCP/IP為數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的、面向連接的通信，它位于ISO/OSI模型中的網(wǎng)絡層，負責將數(shù)據(jù)信息拆分為固定格式的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包按一定的路徑傳輸?shù)降慕邮辗�，然后在接收方將�?shù)據(jù)包分解并重新組合成原始的數(shù)據(jù)信息。
�。�4）提高Ethernet通信速率，以進一步增強其確定性。通信速率的提高意味著在相同的通信量的條件下網(wǎng)絡負荷的減輕，而網(wǎng)絡負荷的減輕又意味著網(wǎng)絡確定性的提高。目前，100M甚至1000M的自適應網(wǎng)絡已在局域網(wǎng)、城域網(wǎng)中普遍應用，10000M正在研制之中，為工業(yè)Ethernet奠定了堅實的基礎。
�。�5）增強Ethernet接插件、交換機、通信電纜等抗干擾能力。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，采用帶屏蔽的雙絞線或光纖通信方式是解決此問題行之有效的方法。
可以說，工業(yè)Ethernet向控制層通信滲透、應用于過程自動經(jīng)的監(jiān)控級、與FCS融合使用已成必然，同時它還可解決大規(guī)模系統(tǒng)中實時性和可靠性之間的矛盾。
2設計關鍵技術
�。�1）一個網(wǎng)絡測控系統(tǒng)最為重要的是要具很強的安全性。如果一個企業(yè)的Intranet和Infranet受到惡意攻擊，造成生產過程的中斷或者生產過程事故，將會造成比金融、電子貿易等網(wǎng)絡受到攻擊時更為嚴重的災難，因此在設計時將網(wǎng)絡安全性考慮放到第一位。本設計采用的是具有身份鑒別和報文鑒別特性的數(shù)字簽名、加密解密技術，同時加入防火墻，而不采用通過操作密碼登陸Intranet來賦予不同操作人員的權限方法；
（2）采用基于B/S（Browser/Server）和TCP/IP框架構成WebClient以及TerminalServerClient方式進行遠程實時生產過程監(jiān)控和在線檢測設備健康狀態(tài)，實現(xiàn)了車間的測、控、管的統(tǒng)一，真正實現(xiàn)了工廠信息自動化；
�。�3）遠程監(jiān)控通過Interent方式實現(xiàn)，而不是通過電話線撥號登陸方式直接與設備相連，從而改善了以往遠程監(jiān)控通過Modem造成的成本費用高、工作效率低、可用性不高以及傳輸速率低的現(xiàn)象；
�。�4）使用免IP地址協(xié)議技術。由于設計中采用了WebClient和TerminalClient并使用了Internet方式，實現(xiàn)遠程監(jiān)控必須為WebServer或TerminalServer設定IP地址。而在Internet上申請一個固定的IP地址費用十分昂貴，采用免IP地址協(xié)議技術，大大降低了企業(yè)的設計成本。
3系統(tǒng)設計技術與實施
系統(tǒng)組成框圖與網(wǎng)絡布線見圖1所示。
整個車間采用100M快速以態(tài)網(wǎng)為主干，100M到桌面的快速以態(tài)網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。而在整個廠級的網(wǎng)絡，從當前的100M快速以態(tài)網(wǎng)升級為ATM網(wǎng)，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結構。各部門交換機采用622MATM接口與主交換機相聯(lián)，科室與大部門之間通過155MATM接口與主交換機相聯(lián)，網(wǎng)管工作站、數(shù)據(jù)庫服務器通過100M以態(tài)網(wǎng)接口直接與主交換機相聯(lián)，各部門服務器通過100M以態(tài)網(wǎng)接口與部門交換機相聯(lián)。各部門的其它節(jié)點通過Corebuilder3300交換機接收部門交換機上。主交換機與部門交換機之間通過光纖連接，其它用雙絞線連接。
3.1B/S（Bowser/Server）模式
為了防止車間級大量的實時在線檢測和控制信號發(fā)生瓶頸效應、阻塞網(wǎng)絡，采用B/S模式，它是借助于HTTP協(xié)議和Web技術，由C/S（Client/Server）模式不斷改進發(fā)展而來的。在B/S模式中，用戶的業(yè)務邏輯可以放在Web服務器上，使網(wǎng)絡流量大大降低；同時，客戶端還進一步“瘦”到只有瀏覽器，極大地減輕了客戶端的負擔和維護量。從根本上說，B/S模式將C/S模式從二級結構升級為三級結構，使邏輯更為清晰合理。B/S模式帶來的優(yōu)點是：
�。�1）使用簡單、易于維護；
�。�2）保護企業(yè)投資由于B/S模式采用標準的TCP/IP、HTTP協(xié)議，它可以與企業(yè)的現(xiàn)有網(wǎng)絡很好地結合；
�。�3）信息共享度高HTML是數(shù)據(jù)格式的一個開放標準，同時采用MIME（MultipurposeInternetMailExtensionprotocol）技術，使Browser可訪問多種格式文件；
（4）擴展性好TCP/IP、HTTP的標準性使得B/S模式可直接連入Internet，具有良好的擴展性；
�。�5）安全性好防火墻技術將保護現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡的安全性。
3.2現(xiàn)場瘦型服務器以及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
現(xiàn)場控制單元瘦型服務器選擇ADAM5000/TCP[5]，其內部和外部的數(shù)據(jù)通信幾乎沒有區(qū)別，正是所謂的“網(wǎng)絡就是控制器”。在ADAM5000/TCP中，Ethernet是控制器的一部分并作為連接現(xiàn)場智能控制模塊的控制網(wǎng)絡。網(wǎng)絡集線器被集成在每個控制器中，通過分配空間把內部通信從外部通信中分離開來，此集線器技術和底層協(xié)議的集成確保了Ethernet的確定性和兼容性，幾乎可以排除數(shù)據(jù)通信的碰撞問題。把Ethernet系統(tǒng)總線看作是現(xiàn)場總線，它可以連接到每個獨立的智能控制模塊。整個過程和系統(tǒng)被看成一個邏輯單元，甚至一個獨立的現(xiàn)場控制單元，不需考慮網(wǎng)絡各層概念，由此就消除了CPU的瓶頸效應。所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡層中僅表達一次，網(wǎng)絡扮演了真正服務器的角色，這正是工業(yè)Ethernet能成功地被應用到實時工業(yè)控制環(huán)境的一大理由，它使網(wǎng)絡實現(xiàn)了從現(xiàn)場控制單元到Internet、Intranet、管理層的直接通信。ADAM5000/TCP的特性如下：
·ARM32BitRISCCPU、4MRAM、512kBROM用戶區(qū)域；
·10/100MBaseT；
·Modbus/TCP、TCP、UDP（UserDatagramProtocol）、IP、ARP（AddressResolutionProtocol）等；
·時間響應時間≤5ms。
要使工業(yè)Ethernet很好地和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)融合，必須要考慮現(xiàn)場設備與現(xiàn)場通信協(xié)議。綜合考慮后，選擇了Modbus/TCP協(xié)議（ADAM5000/TCP采用的是Modbus/TCP）。它由Scheider公司公布，是把Modbus總線協(xié)議捆綁在TCP協(xié)議上形成的，因其支持IDA（InterfaceofDistributedAutomation）而被許多廠家或協(xié)會支持。IDA采用包括HTTP和XML在內的開放Internet協(xié)議，不需要提供地址幀、確認幀等額外信息，僅需要極少量的網(wǎng)絡資源，同時還能提供嚴格的時間同步，因此可以應用于實時性要求較高的工業(yè)控制環(huán)境。這正是本系統(tǒng)選用ADAM5000/TCP的理由。
3.3OPC的開發(fā)應用
OPC（OLCforProcessControl）的基礎是Microsoft的OLE、COM以及DCOM技術，它是現(xiàn)場設備級和過程管理級進行信息交互的開放的接口標準和技術規(guī)范，支持分布式或異構環(huán)境下應用程序之間軟件的無縫集成和互操作。從數(shù)據(jù)傳輸角度說，OPC服務器的實質就是一個網(wǎng)關，一方面要從現(xiàn)場設備讀取數(shù)據(jù)，同時還要把來自不同類型的FCS的不同類型的數(shù)據(jù)轉化成統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)信息系統(tǒng)的集成。由于OPC技術標準比較復雜，目前只有一部分FCS設備提供了OPC的接口驅動。對沒有提供OPC接口的現(xiàn)場設備采用ActiveX控件完成。
3.4基于ODBC（OpenDatabaseConnectivity）開放數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)模式
開發(fā)基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵一點是如何將實時在線生產和檢測的重要數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)上，供合法用戶瀏覽，同時又能保證測控網(wǎng)的安全。因此，數(shù)據(jù)庫的連接方式就顯得格外重要。利用開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術實現(xiàn)信息集成一般有兩種方式：DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)互聯(lián)）和ODBC的信息互聯(lián)。由于本系統(tǒng)選用的是SQLServer數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，為了使B/S模式充分利用企業(yè)的Intranet資源、降低成本、方便開發(fā)和維護，選擇了基于ODBC的互聯(lián)方式。基于ODBC實現(xiàn)的B/S模式的信息互聯(lián)方式如圖2所示。
3.5負載均衡
Web服務器同Web瀏覽器之間的信息交換采用的是HTTPS（HypertextTransferProtocolSecure）安全超文本傳輸協(xié)議，保證了它們之間的通信安全。在系統(tǒng)運行時，Web服務器往往要支撐大量而又密集的用戶點擊和對內容的動態(tài)需求，需要在多個服務器設備之間多個站點之間分散服務器的負載，即網(wǎng)絡負載均衡問題。
“均衡”是一種橫向擴展服務器性能的方法。本系統(tǒng)專門設置一臺計算機來接收企業(yè)IP地址HTTP請求，并把這些請求分發(fā)給網(wǎng)站的各個服務器。這種分發(fā)過程通常發(fā)生在TCP/IP路由的層次上，可以透明地把這個單一的源/目標IP地址映射到一個特定的服務器上，并通過硬件的方式而不通過軟件方式完成。硬件成本雖然高，但映射效率高，可以減緩現(xiàn)場數(shù)據(jù)的瓶頸效應發(fā)生。這種方式比常規(guī)的DNS（DomainNameServer）方式好。同時這種方式可以不斷地監(jiān)測Web服務器，如果某一服務器出現(xiàn)了故障，則可以把請求動態(tài)地重新定向到功能相同的服務器上，避免了因某一服務器的故障所導致的系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)可靠性。
Ethernet是信息技術中技術最為成熟、有眾多硬件供應商支持的信息高速通道，它把大量的局域網(wǎng)聯(lián)成了廣域網(wǎng)，將其應用到工業(yè)控制領域，在現(xiàn)場設備中內置Web服務器，使之具備網(wǎng)絡發(fā)布功能，又能與現(xiàn)場總線技術相互滲透。采用Ethernet將是工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。
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