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段永康

1  引言

    對工業以太網應用的討論，其時間之長，范圍之廣應該說在工業自動化發展過程中是前所未有的。這一方面說明廣大用戶和眾多的設備供應商參與網絡通訊技術或標準的熱情，同時也說明工業以太網的發展現狀與人們的理想境地還有一段距離。

    工業控制網絡很重要的設計原則是保證設備間通信的實時性和確定性，當然還有一致性、安全性等。人們希望通過以太網通訊速度的提高來解決其實時性問題。以太網的通訊速度不可謂不快，商用以太網的通訊速度已達1 000M，工業用以太網也已達100M，遠遠超過現有現場總線5M以下的通訊速度（Profibus的12M還不是一個實際使用的通訊速率）。很多開發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，就好象一只高懸著的達摩劍，隨時都會落下來，讓人們在使用時心有余悸。也有開發機構希望通過修變底層協議來避開沖突檢測的問題，但這又違背了用以太網實現工業控制的初衷。采用以太網作為工業控制網絡很重要的原因是人們希望利用這個通用的網絡和相應大量的通用軟件來建立起一個信息和控制相集成的自動化平臺。如果從底層對其進行修改，將會帶來新的不兼容問題。

    全雙工方式和交換機技術基本上解決了確定性問題，但與現有的現場總線相比，顯的復雜一些，成本也要高很多。這也影響了以太網在某些工業控制場合中的應用。

    那么是否以太網應用于工業控制將成為泡影呢？答案當然是否定的，實際上工業以太網的發展已經超過了人們的想象，而且發展的趨勢將更加強勁，只是現階段尚未實現人們的理想。

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

    透明工廠^TM是施耐德電氣基于開放標準―實時工業網絡應用協議 Modbus，以太網 TCP/IP和互聯網技術，用于工業、電力和基礎設施領域工業自動化過程控制的優化解決方案。透明工廠TM體系通過提供這些標準及其服務的產品，來滿足工業過程控制、信息采集和傳輸的要求。

2  設備間的通信和可采用的服務

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
    一個設備需要有一個IP地址以及自動設定的相關參數來實現對該設備的訪問。
可采用的服務：
•  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絡結構和協議，用來實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：
•  HTTP―Web網頁和Java Applet；
•  OPC；
•  Open MODBUS TCP/IP Messaging（開放式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設備的控制相關聯。數據必須以快速、確定性和可重復性的方式在大量不同類型的I/O設備中傳送。
可采用的服務：
•  I/O Scanner（I/O掃描器）；
•  Open MODBUS TCP/IP Messaging。
(4)  簡單的SCADA服務
    要求用一個簡單的SCADA軟件包來監視或控制一臺設備或現場裝置。
可采用的服務：
•  HTTP服務器―定制的Web網頁。
(5)  故障設備的自動替換
    要求為替換設備分配以太網地址并進行參數組態。并且系統能自動地對其進行識別和組態，不再需要用戶的干預或組態。
可采用的服務：
•  FDR―故障設備替換。
(6)  PC至PLC的通信
    采用標準的網絡結構和協議，用來實現多個PLC系統間的大數據量信息交換。響應時間在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PLC工作站傳送到另一個工作站，但數據傳送的頻率可以變化。
可采用的服務：
•  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應用之間進行數據傳送以實現多個PLC應用的同步。這種數據交換必須按照時限要求嚴格的方式進行。
可采用的服務：
•  Global Data（全局數據）。

3  以太網 TCP/IP標準服務

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

    嵌入式Web服務是透明工廠技術的核心要素之一，使用一個標準的互聯網瀏覽器，就可從世界上的任何地方以及一個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；
•  讀取來自設備的數據；
•  修改設備的配置；
•  訪問嵌入式HMI網頁以便進行監視和控制；
•  查看歷史故障記錄；
•  組態用戶定義的附加網頁。

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

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

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

    透明工廠設備將FTP協議作為設備間信息傳送的一個標準方法來實現，包括下載一個新的操作系統和用戶定義的Web網頁。

★ SNMP―簡單網絡管理協議
    SNMP（Simple Network Management Protocol）標準允許使用單一系統對各種不同的網絡設備進行管理。網絡管理系統（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監視網絡和所連接設備的狀態，修改設備配置，對網絡設備出現的故障進行報警等。

    透明工廠設備遵從SNMP協議，可以將它們完全集成在一個SNMP所管理的網絡中。

★ 嵌入式Web診斷功能
    支持以太網通信的施耐德自動化的控制器包括一個集成的實時數據Web服務器。嵌入式Web診斷功能允許在線訪問以太網接口、控制器的配置和診斷內容。所有這些Web服務器提供的功能都不需要進行任何配置或編程。進一步地，不需要對駐留程序進行任何修改就能在現有的應用中使用此功能。
•  用于DHCP服務器和SNMP的配置菜單；
•  用于對接口的以太網統計；
•  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、狀態和數值；
•  接口故障統計登錄。

★ 配置PLC本地機架，瀏覽I/O 狀態
    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、嵌入式服務器模板和任何I/O模板。

★ 控制器狀態
    CPU配置網頁提供最新的控制器及其配置的相關信息。通過選取CPU模板或網頁下部的超級鏈接進入到CPU配置網頁。

★ 分布式I/O
通過Web網頁提供了關于所組態的分布式I/O信息，包括：
•  分布式I/O節點站網頁；
•  分布式I/O模板網頁。

★ 以太網網絡運行統計
    以太網模板統計網頁為嵌入式服務模板提供狀態，發送和接收統計，以及錯誤信息。

★ 遠程I/O
    遠程I/O狀態網頁給出了遠程I/O網絡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掃描系統的說明來提供診斷；
•  由簡單的圖形網頁為所有用戶提供診斷。

★ 數據監控
    訪問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數據的實時讀/寫訪問。

★ 通訊模板組態
    組態網絡通訊模板的Web網頁將為SNMP、DHCP和全局數據提供配置支持信息。
•  SNMP配置網頁允許進行SNMP代理數據庫的配置。
•  DHCP配置網頁允許進行IP地址服務器數據庫的配置。
•  Global Data（全局數據）配置網頁允許進行發布/預定數據庫的配置。

★ 報警顯示
    報警顯示網頁有一個預定義的保護功能（口令保護），可以被用來處理報警信息（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變量有關的動態圖形對象。這些定制的視圖可以在用戶Web網頁中使用。

★ FactoryCast定制的Web網頁
    以太網嵌入式Web服務器模板所包含的基于RAM的閃存文件系統可以為用戶定義的可通過FTP訪問的Web網頁提供儲存空間。以這種方式生成的網頁允許用戶：
•  實時顯示所有PLC變量；
•  利用外部服務器（文件生成器等）建立超級鏈接；
•  控制、顯示和診斷；
•  實時生產報表的開發；
•  維護或操作員指導。

★ FactoryCast配置工具
FactoryCast提供如下功能：
•  定義用戶名和相關的口令；
•  定義由用戶修改的變量；
•  整個網站的保存與恢復；
•  將用戶在PC兼容系統上本地生成的網頁在傳送至/取自控制系統。

★ 嵌入式全局數據（Global Data）
    全局數據服務采用一種實時發布/預訂機制，用于一組公共分布式站點間的數據發送。全局數據可以實現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模板的負荷狀況，這樣用戶就可以監視負荷變化并預見問題的出現。通常可以有三種方式顯示以太網模板的負荷：
•  編程軟件中所能預期的負荷；
•  通過Web網頁顯示的實時圖形；
•  通過SNMP接口，用網絡管理軟件監視模板的負荷。

★ TCP Open訪問
    以太網通訊模板支持多種基于TCP/IP 標準的通信協議。在這些協議中，MODBUS協議具有公共的技術規范，并且由于其簡單性，推薦它用于與第三方設備進行通信。

★ 函數
    按TCP連接客戶機/服務器模式運行的Berkeley套接字接口上的基本函數，能夠實現：
•  管理在多達32個開放式的連接；
•  生成套接字及其對任一TCP端口的掛接；
•  套接字連接到“接聽來自遠程客戶機的連接請求”模式的通道；
•  連接的打開；
•  在這些連接上傳送和接收數據；
•  關閉這一連接。

★ 描述
    TCP Open產品由包括TCP/IP函數庫的CD-ROM組成。借助于在TCP上的開放式訪問，能夠使用以太網模板的所有基本函數。

★ 協議驅動程序
    由于透明工廠是以開放式以太網標準為基礎的，所以在運行一個系統時不需要特定的驅動程序。

★ 簡單和開放的Modbus TCP
    Modbus應用層是非常基礎化和大眾化的。目前有成千上萬的制造商執行Modbus標準，有成千上萬的合作伙伴執行Modbus TCP/IP標準，并且眾多的新產品已經選擇Modbus TCP/IP作為以太網標準。不需要大容量的存儲器或較高的處理能力，Modbus TCP/IP的簡易性就允許使用任何形式的簡單現場設備在以太網上實現通信，如一塊I/O模板。

4  結語
    由于工業以太網在目前仍然處于快速發展和完善階段，對工業以太網的廣大用戶更實際的好處在于如何利用現有網絡為人們提供的功能。筆者認為，現階段最有效的方法是如何將工業以太網和現有的現場總線完善地結合起來，建立起完整的工業自動化網絡體系。