工業(yè)Ethernet在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

摘要：為實(shí)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(chǎn)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(shù)融合到FCS的觀點(diǎn)，并將其成功實(shí)施應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果，實(shí)現(xiàn)了工廠信息自動(dòng)化。闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)以及設(shè)計(jì)技巧。
　　
　　關(guān)鍵詞：工業(yè)Ethernet控制FCS系統(tǒng)集成工廠信息自動(dòng)化
　　
　　隨著現(xiàn)代工廠信息自動(dòng)化進(jìn)程的加快，企業(yè)逐漸將管理、決策、市場(chǎng)信息和現(xiàn)場(chǎng)控制信息結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源規(guī)劃ERP（EnterpriseResourcePlanning）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（ManufacturingExecutionsystem）、生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS（ProcessControlSystem）三層信息一體化的解決方案。在PCS設(shè)計(jì)過程中，通常采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）。但由于現(xiàn)場(chǎng)總線相互之間兼容性差、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備的種類繁多，導(dǎo)致不同的總線產(chǎn)品之間無法實(shí)現(xiàn)互連、互換、統(tǒng)一組態(tài)及互操作；而Ethernet具有通用性強(qiáng)、技術(shù)成熟、帶寬迅速增加等特性。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)中，將價(jià)廉物美的Ethernet設(shè)備應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)已成為必然趨勢(shì)。本文將闡述利用工業(yè)Ethernet技術(shù)和FCS融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠信息自動(dòng)化的案例。
　　
　　1工業(yè)Ethernet技術(shù)及其在工業(yè)中應(yīng)用的改進(jìn)[3～4]
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)要求具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)方可應(yīng)用。
　　
　�。�1）將傳統(tǒng)的總線式結(jié)構(gòu)改為星形連接結(jié)構(gòu)，并為連接在端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)立的帶寬，使連接在同一交換機(jī)的不同節(jié)點(diǎn)之間不存在資源爭(zhēng)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(shù)，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(dá)接收方。在網(wǎng)絡(luò)鏈路層中所有硬件對(duì)TCP/IP的應(yīng)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(luò)層，負(fù)責(zé)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(jìn)一步增強(qiáng)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(luò)負(fù)荷的減輕，而網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕又意味著網(wǎng)絡(luò)確定性的提高。目前，100M甚至1000M的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)已在局域網(wǎng)、城域網(wǎng)中普遍應(yīng)用，10000M正在研制之中，為工業(yè)Ethernet奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　
　�。�5）增強(qiáng)Ethernet接插件、交換機(jī)、通信電纜等抗干擾能力。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用于過程自動(dòng)經(jīng)的監(jiān)控級(jí)、與FCS融合使用已成必然，同時(shí)它還可解決大規(guī)模系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性和可靠性之間的矛盾。
　　
　　2設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
　　
　�。�1）一個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)最為重要的是要具很強(qiáng)的安全性。如果一個(gè)企業(yè)的Intranet和Infranet受到惡意攻擊，造成生產(chǎn)過程的中斷或者生產(chǎn)過程事故，將會(huì)造成比金融、電子貿(mào)易等網(wǎng)絡(luò)受到攻擊時(shí)更為嚴(yán)重的災(zāi)難，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將網(wǎng)絡(luò)安全性考慮放到第一位。本設(shè)計(jì)采用的是具有身份鑒別和報(bào)文鑒別特性的數(shù)字簽名、加密解密技術(shù)，同時(shí)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(quán)限方法；
　　
　�。�2）采用基于B/S（Browser/Server）和TCP/IP框架構(gòu)成WebClient以及TerminalServerClient方式進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程監(jiān)控和在線檢測(cè)設(shè)備健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了車間的測(cè)、控、管的統(tǒng)一，真正實(shí)現(xiàn)了工廠信息自動(dòng)化；
　　
　�。�3）遠(yuǎn)程監(jiān)控通過Interent方式實(shí)現(xiàn)，而不是通過電話線撥號(hào)登陸方式直接與設(shè)備相連，從而改善了以往遠(yuǎn)程監(jiān)控通過Modem造成的成本費(fèi)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(shù)。由于設(shè)計(jì)中采用了WebClient和TerminalClient并使用了Internet方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控必須為WebServer或TerminalServer設(shè)定IP地址。而在Internet上申請(qǐng)一個(gè)固定的IP地址費(fèi)用十分昂貴，采用免IP地址協(xié)議技術(shù)，大大降低了企業(yè)的設(shè)計(jì)成本。
　　
　　3系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)施
　　
　　
　　
　　
　　系統(tǒng)組成框圖與網(wǎng)絡(luò)布線見圖1所示。
　　
　　整個(gè)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(luò)系統(tǒng)。而在整個(gè)廠級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，從當(dāng)前的100M快速以態(tài)網(wǎng)升級(jí)為ATM網(wǎng)，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各部門交換機(jī)采用622MATM接口與主交換機(jī)相聯(lián)，科室與大部門之間通過155MATM接口與主交換機(jī)相聯(lián)，網(wǎng)管工作站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通過100M以態(tài)網(wǎng)接口直接與主交換機(jī)相聯(lián)，各部門服務(wù)器通過100M以態(tài)網(wǎng)接口與部門交換機(jī)相聯(lián)。各部門的其它節(jié)點(diǎn)通過Corebuilder3300交換機(jī)接收部門交換機(jī)上。主交換機(jī)與部門交換機(jī)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(jí)大量的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和控制信號(hào)發(fā)生瓶頸效應(yīng)、阻塞網(wǎng)絡(luò)，采用B/S模式，它是借助于HTTP協(xié)議和Web技術(shù)，由C/S（Client/Server）模式不斷改進(jìn)發(fā)展而來的。在B/S模式中，用戶的業(yè)務(wù)邏輯可以放在Web服務(wù)器上，使網(wǎng)絡(luò)流量大大降低；同時(shí)，客戶端還進(jìn)一步“瘦”到只有瀏覽器，極大地減輕了客戶端的負(fù)擔(dān)和維護(hù)量。從根本上說，B/S模式將C/S模式從二級(jí)結(jié)構(gòu)升級(jí)為三級(jí)結(jié)構(gòu)，使邏輯更為清晰合理。B/S模式帶來的優(yōu)點(diǎn)是：
　　
　�。�1）使用簡(jiǎn)單、易于維護(hù)；
　　
　�。�2）保護(hù)企業(yè)投資由于B/S模式采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP、HTTP協(xié)議，它可以與企業(yè)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)很好地結(jié)合；
　　
　�。�3）信息共享度高HTML是數(shù)據(jù)格式的一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)采用MIME（MultipurposeInternetMailExtensionprotocol）技術(shù)，使Browser可訪問多種格式文件；
　　
　�。�4）擴(kuò)展性好TCP/IP、HTTP的標(biāo)準(zhǔn)性使得B/S模式可直接連入Internet，具有良好的擴(kuò)展性；
　　
　�。�5）安全性好防火墻技術(shù)將保護(hù)現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性。
　　
　　3.2現(xiàn)場(chǎng)瘦型服務(wù)器以及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)控制單元瘦型服務(wù)器選擇ADAM5000/TCP[5]，其內(nèi)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(luò)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(chǎng)智能控制模塊的控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)集線器被集成在每個(gè)控制器中，通過分配空間把內(nèi)部通信從外部通信中分離開來，此集線器技術(shù)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(chǎng)總線，它可以連接到每個(gè)獨(dú)立的智能控制模塊。整個(gè)過程和系統(tǒng)被看成一個(gè)邏輯單元，甚至一個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)控制單元，不需考慮網(wǎng)絡(luò)各層概念，由此就消除了CPU的瓶頸效應(yīng)。所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)層中僅表達(dá)一次，網(wǎng)絡(luò)扮演了真正服務(wù)器的角色，這正是工業(yè)Ethernet能成功地被應(yīng)用到實(shí)時(shí)工業(yè)控制環(huán)境的一大理由，它使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間響應(yīng)時(shí)間≤5ms。
　　
　　要使工業(yè)Ethernet很好地和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)融合，必須要考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)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(huì)支持。IDA采用包括HTTP和XML在內(nèi)的開放Internet協(xié)議，不需要提供地址幀、確認(rèn)幀等額外信息，僅需要極少量的網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)還能提供嚴(yán)格的時(shí)間同步，因此可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)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(yīng)用
　　
　　OPC（OLCforProcessControl）的基礎(chǔ)是Microsoft的OLE、COM以及DCOM技術(shù)，它是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)和過程管理級(jí)進(jìn)行信息交互的開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，支持分布式或異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)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(wù)器的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)網(wǎng)關(guān)，一方面要從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)還要把來自不同類型的FCS的不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的集成。由于OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較復(fù)雜，目前只有一部分FCS設(shè)備提供了OPC的接口驅(qū)動(dòng)。對(duì)沒有提供OPC接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用ActiveX控件完成。
　　
　　3.4基于ODBC（OpenDatabaseConnectivity）開放數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)模式
　　
　　開發(fā)基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵一點(diǎn)是如何將實(shí)時(shí)在線生產(chǎn)和檢測(cè)的重要數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)上，供合法用戶瀏覽，同時(shí)又能保證測(cè)控網(wǎng)的安全。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)的連接方式就顯得格外重要。利用開放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息集成一般有兩種方式：DDE（動(dòng)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(kù)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(hù)，選擇了基于ODBC的互聯(lián)方式。基于ODBC實(shí)現(xiàn)的B/S模式的信息互聯(lián)方式如圖2所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　3.5負(fù)載均衡
　　
　　Web服務(wù)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(yùn)行時(shí)，Web服務(wù)器往往要支撐大量而又密集的用戶點(diǎn)擊和對(duì)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)需求，需要在多個(gè)服務(wù)器設(shè)備之間多個(gè)站點(diǎn)之間分散服務(wù)器的負(fù)載，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡問題。
　　
　　“均衡”是一種橫向擴(kuò)展服務(wù)器性能的方法。本系統(tǒng)專門設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)來接收企業(yè)IP地址HTTP請(qǐng)求，并把這些請(qǐng)求分發(fā)給網(wǎng)站的各個(gè)服務(wù)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(gè)單一的源/目標(biāo)IP地址映射到一個(gè)特定的服務(wù)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(chǎng)數(shù)據(jù)的瓶頸效應(yīng)發(fā)生。這種方式比常規(guī)的DNS（DomainNameServer）方式好。同時(shí)這種方式可以不斷地監(jiān)測(cè)Web服務(wù)器，如果某一服務(wù)器出現(xiàn)了故障，則可以把請(qǐng)求動(dòng)態(tài)地重新定向到功能相同的服務(wù)器上，避免了因某一服務(wù)器的故障所導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)可靠性。
　　
　　Ethernet是信息技術(shù)中技術(shù)最為成熟、有眾多硬件供應(yīng)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(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中內(nèi)置Web服務(wù)器，使之具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，又能與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相互滲透。采用Ethernet將是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　

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