段永康

1  引言

    對工業(yè)以太網(wǎng)應用的討論，其時(shí)間之長(cháng)，范圍之廣應該說(shuō)在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程中是前所未有的。這一方面說(shuō)明廣大用戶(hù)和眾多的設備供應商參與網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)或標準的熱情，同時(shí)也說(shuō)明工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展現狀與人們的理想境地還有一段距離。

    工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )很重要的設計原則是保證設備間通信的實(shí)時(shí)性和確定性，當然還有一致性、安全性等。人們希望通過(guò)以太網(wǎng)通訊速度的提高來(lái)解決其實(shí)時(shí)性問(wèn)題。以太網(wǎng)的通訊速度不可謂不快，商用以太網(wǎng)的通訊速度已達1 000M，工業(yè)用以太網(wǎng)也已達100M，遠遠超過(guò)現有現場(chǎng)總線(xiàn)5M以下的通訊速度（Profibus的12M還不是一個(gè)實(shí)際使用的通訊速率）。很多開(kāi)發(fā)機構也提供了納秒級通訊響應的測試報告，但CSMA/CD機制畢竟在理論上還存在沖突檢測重復等待的可能性，就好象一只高懸著(zhù)的達摩劍，隨時(shí)都會(huì )落下來(lái)，讓人們在使用時(shí)心有余悸。也有開(kāi)發(fā)機構希望通過(guò)修變底層協(xié)議來(lái)避開(kāi)沖突檢測的問(wèn)題，但這又違背了用以太網(wǎng)實(shí)現工業(yè)控制的初衷。采用以太網(wǎng)作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )很重要的原因是人們希望利用這個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò )和相應大量的通用軟件來(lái)建立起一個(gè)信息和控制相集成的自動(dòng)化平臺。如果從底層對其進(jìn)行修改，將會(huì )帶來(lái)新的不兼容問(wèn)題。

    全雙工方式和交換機技術(shù)基本上解決了確定性問(wèn)題，但與現有的現場(chǎng)總線(xiàn)相比，顯的復雜一些，成本也要高很多。這也影響了以太網(wǎng)在某些工業(yè)控制場(chǎng)合中的應用。

    那么是否以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制將成為泡影呢？答案當然是否定的，實(shí)際上工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)了人們的想象，而且發(fā)展的趨勢將更加強勁，只是現階段尚未實(shí)現人們的理想。

    人們應該如何看待和如何應用工業(yè)以太網(wǎng)的現有成果呢？如果是用工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)單地替代現有系統的原有功能是沒(méi)有價(jià)值的，以太網(wǎng)的價(jià)值所在是它提供了更多的特性，包括在以太網(wǎng)上很容易傳輸圖像、聲音信息、數據信息等，用它不同的特性滿(mǎn)足客戶(hù)新的服務(wù)要求。在此，本文將探討工業(yè)以太網(wǎng)所提供的服務(wù)功能，以及施耐德電氣的透明工廠(chǎng)TM體系結構如何將這些服務(wù)功能應用于自動(dòng)化控制系統。

    透明工廠(chǎng)^TM是施耐德電氣基于開(kāi)放標準―實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )應用協(xié)議 Modbus，以太網(wǎng) TCP/IP和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用于工業(yè)、電力和基礎設施領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制的優(yōu)化解決方案。透明工廠(chǎng)TM體系通過(guò)提供這些標準及其服務(wù)的產(chǎn)品，來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制、信息采集和傳輸的要求。

2  設備間的通信和可采用的服務(wù)

2.1  設備間的垂直通信：PLC、PC與外圍設備間的通信
(1)  設備組態(tài)
    一個(gè)設備需要有一個(gè)IP地址以及自動(dòng)設定的相關(guān)參數來(lái)實(shí)現對該設備的訪(fǎng)問(wèn)。
可采用的服務(wù)：
•  BOOTP；
•  DHCP。
(2)  PLC與計算機MES、ERP系統間的通信
    這種通信采用的是標準的網(wǎng)絡(luò )結構和協(xié)議，用來(lái)實(shí)現與上位監控和管理系統之間的大數據量信息交換。
可采用的服務(wù)：
•  HTTP―Web網(wǎng)頁(yè)和Java Applet；
•  OPC；
•  Open MODBUS TCP/IP Messaging（開(kāi)放式MODBUS TCP/IP信息處理）；
•  TCP Open。
(3)  主機與I/O設備的通訊
    要求應用程序與I/O設備的控制相關(guān)聯(lián)。數據必須以快速、確定性和可重復性的方式在大量不同類(lèi)型的I/O設備中傳送。
可采用的服務(wù)：
•  I/O Scanner（I/O掃描器）；
•  Open MODBUS TCP/IP Messaging。
(4)  簡(jiǎn)單的SCADA服務(wù)
    要求用一個(gè)簡(jiǎn)單的SCADA軟件包來(lái)監視或控制一臺設備或現場(chǎng)裝置。
可采用的服務(wù)：
•  HTTP服務(wù)器―定制的Web網(wǎng)頁(yè)。
(5)  故障設備的自動(dòng)替換
    要求為替換設備分配以太網(wǎng)地址并進(jìn)行參數組態(tài)。并且系統能自動(dòng)地對其進(jìn)行識別和組態(tài)，不再需要用戶(hù)的干預或組態(tài)。
可采用的服務(wù)：
•  FDR―故障設備替換。
(6)  PC至PLC的通信
    采用標準的網(wǎng)絡(luò )結構和協(xié)議，用來(lái)實(shí)現多個(gè)PLC系統間的大數據量信息交換。響應時(shí)間在0.5s ~2s范圍內。

2.2  水平通信：PLC與 PLC間通訊
(1)  編程、診斷、數據傳送
    要求使用簡(jiǎn)單的通信接口完成PLC應用之間的數據傳送。數據必須按要求從一個(gè)PLC工作站傳送到另一個(gè)工作站，但數據傳送的頻率可以變化。
可采用的服務(wù)：
•  MODBUS TCP/IP Messaging（MODBUS TCP/IP信息處理）。
(2)  PLC與PLC間的應用同步數據傳送
    這種通信要求在各PLC應用之間進(jìn)行數據傳送以實(shí)現多個(gè)PLC應用的同步。這種數據交換必須按照時(shí)限要求嚴格的方式進(jìn)行。
可采用的服務(wù)：
•  Global Data（全局數據）。

3  以太網(wǎng) TCP/IP標準服務(wù)

★ HTTP―嵌入式Web服務(wù)器
    HTTP（超級文本傳輸協(xié)議）是一種用于Web服務(wù)器和瀏覽器之間的傳輸協(xié)議。從1990年起HTTP協(xié)議就開(kāi)始在Web上應用。

    嵌入式Web服務(wù)是透明工廠(chǎng)技術(shù)的核心要素之一，使用一個(gè)標準的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器，就可從世界上的任何地方以及一個(gè)系統的任何層面直接查看設備的信息。
Web瀏覽器能夠完成的工作包括：
•  查看設備的配置信息；
•  讀取來(lái)自設備的數據；
•  修改設備的配置；
•  訪(fǎng)問(wèn)嵌入式HMI網(wǎng)頁(yè)以便進(jìn)行監視和控制；
•  查看歷史故障記錄；
•  組態(tài)用戶(hù)定義的附加網(wǎng)頁(yè)。

★ BOOTP/DHCP（RFC1531）
    BOOTP/DHCP可以被用來(lái)動(dòng)態(tài)地為設備提供IP地址。因此免除了逐個(gè)管理每臺設備IP地址的需要，并將這種管理功能轉移到中央IP地址服務(wù)器內完成。

遵從Modbus TCP/IP協(xié)議的設備可以完成：
•  由BOOTP客戶(hù)機為每臺設備自動(dòng)分配IP地址；
•  由BOOTP服務(wù)器管理或分配系統中其它設備的IP地址；
•  通過(guò)BOOTP/DHCP協(xié)議也可以完成故障設備的更換。

★ FTP―文件傳輸協(xié)議
    文件傳輸協(xié)議（FTP）提供了文件共享的基本元素，很多系統使用FTP協(xié)議設備間的文件傳輸。

    透明工廠(chǎng)設備將FTP協(xié)議作為設備間信息傳送的一個(gè)標準方法來(lái)實(shí)現，包括下載一個(gè)新的操作系統和用戶(hù)定義的Web網(wǎng)頁(yè)。

★ SNMP―簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議
    SNMP（Simple Network Management Protocol）標準允許使用單一系統對各種不同的網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行管理。網(wǎng)絡(luò )管理系統（Network Management System）可以和SNMP兼容設備交換信息。管理系統利用這些信息來(lái)監視網(wǎng)絡(luò )和所連接設備的狀態(tài)，修改設備配置，對網(wǎng)絡(luò )設備出現的故障進(jìn)行報警等。

    透明工廠(chǎng)設備遵從SNMP協(xié)議，可以將它們完全集成在一個(gè)SNMP所管理的網(wǎng)絡(luò )中。

★ 嵌入式Web診斷功能
    支持以太網(wǎng)通信的施耐德自動(dòng)化的控制器包括一個(gè)集成的實(shí)時(shí)數據Web服務(wù)器。嵌入式Web診斷功能允許在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)以太網(wǎng)接口、控制器的配置和診斷內容。所有這些Web服務(wù)器提供的功能都不需要進(jìn)行任何配置或編程。進(jìn)一步地，不需要對駐留程序進(jìn)行任何修改就能在現有的應用中使用此功能。
•  用于DHCP服務(wù)器和SNMP的配置菜單；
•  用于對接口的以太網(wǎng)統計；
•  控制器的配置；
•  控制器內的寄存器數值；
•  遠程和分布式I/O寄存器的配置、狀態(tài)和數值；
•  接口故障統計登錄。

★ 配置PLC本地機架，瀏覽I/O 狀態(tài)
    本地設備屏幕用于顯示當前本地機架的配置信息，包括控制器、嵌入式服務(wù)器模板和任何I/O模板。

★ 控制器狀態(tài)
    CPU配置網(wǎng)頁(yè)提供最新的控制器及其配置的相關(guān)信息。通過(guò)選取CPU模板或網(wǎng)頁(yè)下部的超級鏈接進(jìn)入到CPU配置網(wǎng)頁(yè)。

★ 分布式I/O
通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)提供了關(guān)于所組態(tài)的分布式I/O信息，包括：
•  分布式I/O節點(diǎn)站網(wǎng)頁(yè)；
•  分布式I/O模板網(wǎng)頁(yè)。

★ 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )運行統計
    以太網(wǎng)模板統計網(wǎng)頁(yè)為嵌入式服務(wù)模板提供狀態(tài)，發(fā)送和接收統計，以及錯誤信息。

★ 遠程I/O
    遠程I/O狀態(tài)網(wǎng)頁(yè)給出了遠程I/O網(wǎng)絡(luò )通信的狀況及其使用的概貌。

★ I/O掃描診斷
•  使用PLC內的數據區提供診斷；
•  采用程序組件調試屏幕中對I/O掃描系統的說(shuō)明來(lái)提供診斷；
•  由簡(jiǎn)單的圖形網(wǎng)頁(yè)為所有用戶(hù)提供診斷。

★ 數據監控
    訪(fǎng)問(wèn)PLC變量是一種預定義的、帶口令保護的功能，它可以完成對所有PLC數據的實(shí)時(shí)讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。

★ 通訊模板組態(tài)
    組態(tài)網(wǎng)絡(luò )通訊模板的Web網(wǎng)頁(yè)將為SNMP、DHCP和全局數據提供配置支持信息。
•  SNMP配置網(wǎng)頁(yè)允許進(jìn)行SNMP代理數據庫的配置。
•  DHCP配置網(wǎng)頁(yè)允許進(jìn)行IP地址服務(wù)器數據庫的配置。
•  Global Data（全局數據）配置網(wǎng)頁(yè)允許進(jìn)行發(fā)布/預定數據庫的配置。

★ 報警顯示
    報警顯示網(wǎng)頁(yè)有一個(gè)預定義的保護功能（口令保護），可以被用來(lái)處理報警信息（顯示、確認和清除）。

★ FactoryCast圖形對象編輯器
    圖形對象編輯器功能用于生成各種視圖，包括與PLC變量有關(guān)的動(dòng)態(tài)圖形對象。這些定制的視圖可以在用戶(hù)Web網(wǎng)頁(yè)中使用。

★ FactoryCast定制的Web網(wǎng)頁(yè)
    以太網(wǎng)嵌入式Web服務(wù)器模板所包含的基于RAM的閃存文件系統可以為用戶(hù)定義的可通過(guò)FTP訪(fǎng)問(wèn)的Web網(wǎng)頁(yè)提供儲存空間。以這種方式生成的網(wǎng)頁(yè)允許用戶(hù)：
•  實(shí)時(shí)顯示所有PLC變量；
•  利用外部服務(wù)器（文件生成器等）建立超級鏈接；
•  控制、顯示和診斷；
•  實(shí)時(shí)生產(chǎn)報表的開(kāi)發(fā)；
•  維護或操作員指導。

★ FactoryCast配置工具
FactoryCast提供如下功能：
•  定義用戶(hù)名和相關(guān)的口令；
•  定義由用戶(hù)修改的變量；
•  整個(gè)網(wǎng)站的保存與恢復；
•  將用戶(hù)在PC兼容系統上本地生成的網(wǎng)頁(yè)在傳送至/取自控制系統。

★ 嵌入式全局數據（Global Data）
    全局數據服務(wù)采用一種實(shí)時(shí)發(fā)布/預訂機制，用于一組公共分布式站點(diǎn)間的數據發(fā)送。全局數據可以實(shí)現PLC站之間的同步，或者是在各種應用之間共享公用數據庫。

★ 帶寬監視
    帶寬監視功能顯示以太網(wǎng)模板的負荷狀況，這樣用戶(hù)就可以監視負荷變化并預見(jiàn)問(wèn)題的出現。通?？梢杂腥N方式顯示以太網(wǎng)模板的負荷：
•  編程軟件中所能預期的負荷；
•  通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)顯示的實(shí)時(shí)圖形；
•  通過(guò)SNMP接口，用網(wǎng)絡(luò )管理軟件監視模板的負荷。

★ TCP Open訪(fǎng)問(wèn)
    以太網(wǎng)通訊模板支持多種基于TCP/IP 標準的通信協(xié)議。在這些協(xié)議中，MODBUS協(xié)議具有公共的技術(shù)規范，并且由于其簡(jiǎn)單性，推薦它用于與第三方設備進(jìn)行通信。

★ 函數
    按TCP連接客戶(hù)機/服務(wù)器模式運行的Berkeley套接字接口上的基本函數，能夠實(shí)現：
•  管理在多達32個(gè)開(kāi)放式的連接；
•  生成套接字及其對任一TCP端口的掛接；
•  套接字連接到“接聽(tīng)來(lái)自遠程客戶(hù)機的連接請求”模式的通道；
•  連接的打開(kāi)；
•  在這些連接上傳送和接收數據；
•  關(guān)閉這一連接。

★ 描述
    TCP Open產(chǎn)品由包括TCP/IP函數庫的CD-ROM組成。借助于在TCP上的開(kāi)放式訪(fǎng)問(wèn)，能夠使用以太網(wǎng)模板的所有基本函數。

★ 協(xié)議驅動(dòng)程序
    由于透明工廠(chǎng)是以開(kāi)放式以太網(wǎng)標準為基礎的，所以在運行一個(gè)系統時(shí)不需要特定的驅動(dòng)程序。

★ 簡(jiǎn)單和開(kāi)放的Modbus TCP
    Modbus應用層是非?；A化和大眾化的。目前有成千上萬(wàn)的制造商執行Modbus標準，有成千上萬(wàn)的合作伙伴執行Modbus TCP/IP標準，并且眾多的新產(chǎn)品已經(jīng)選擇Modbus TCP/IP作為以太網(wǎng)標準。不需要大容量的存儲器或較高的處理能力，Modbus TCP/IP的簡(jiǎn)易性就允許使用任何形式的簡(jiǎn)單現場(chǎng)設備在以太網(wǎng)上實(shí)現通信，如一塊I/O模板。

4  結語(yǔ)
    由于工業(yè)以太網(wǎng)在目前仍然處于快速發(fā)展和完善階段，對工業(yè)以太網(wǎng)的廣大用戶(hù)更實(shí)際的好處在于如何利用現有網(wǎng)絡(luò )為人們提供的功能。筆者認為，現階段最有效的方法是如何將工業(yè)以太網(wǎng)和現有的現場(chǎng)總線(xiàn)完善地結合起來(lái)，建立起完整的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )體系。