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張龍（1974－）
男，1996年畢業于北京理工大學自動控制專業，研究方向為現場總線和工業以太網等技術。
8.1 工業自動化中的以太網
8.1.1 現場總線和以太網
既要不斷提高機械設備的生產率，又要降低成本，這始終是工業自動化不斷創新的動力。在這種動力的推動下，20年前INTERBUS現場總線應運而生，成為世界上第一個用于傳輸過程數據的傳感器/執行器現場總線系統。現場總線技術采用串行通信取代傳統的PLC并行接線方式，采用數字信號取代4~20mA模擬量信號傳輸，是通信技術應用到工業自動化領域的一次技術革新。
由于采用特殊的集總幀傳輸協議和環型/樹型結構，INTERBUS系統不僅具有快速、周期和等時數據通信極其出色的性能，而且也提供綜合診斷功能，實現故障快速處理，使停機時間降至最短。同時由于光纖的靈活使用，而具有極強的抗干擾能力。由于與傳感器和執行機構的連接價格低廉，所以INTERBUS現場總線系統迅速被用戶廣泛地接受。截止到2006年底，INTERBUS在世界各地的安裝量超過1100萬個節點，在為數眾多的工業現場超過90萬套應用系統。INTERBUS CLUB采用Frost-Sullivan調查評估法經過準確計算，INTERBUS現有的安裝節點總值超過14億美元。
當今銷售市場的特點是隨著各種產品品種的不斷增加，產品的生命周期越來越短。例如，1990年汽車的生命周期是9.5年，一個生產線平臺可生產8種汽車車型（轎車、旅行車及敞篷車等）的生產。而在現在，生命周期平均只有6.5年，同樣一個平臺要生產一個汽車品牌的14種不同車型。能夠提升大量生產的成本效益，比通常情況更早地收回投資（ROI）對生產制造廠來說是必需的。為此，需要不斷地降低開發和工程費用，該費用占整個成本的較大份額；同時應該確保現有的解決方案能夠簡單地集成到新概念的系統中。這樣一來，為了挖掘新的生產潛力，公司內部的通信體系結構就成了決定因素。
當前，公司網絡的特點是生產區許多孤島解決方案之間，以及工廠與監控級之間復雜的耦合連接和數據交換機制。不做極大努力，要想完成對于精確加工和生產控制十分重要的機器數據進行透明訪問是不可能的。因而，目標是必須開發一個統一的網絡體系結構，它將保證所有的機器設備部件聯網，而且能夠連接到生產規劃和公司監控級。實現上述目標的關鍵是統一采用以太網。如圖1所示，由于具有統一的網絡體系結構功能，隨著公司的增值開發過程，以太網將逐步連接孤島解決方案。
圖1 采用以太網的統一網絡體系結構
以太網具有世界統一的通信標準，在辦公通信中占據了80%以上的份額，在工業環境中它也已經用于分散機器設備區段間的相互連接，以及與上一級系統的連接。在工廠自動化行業其優點是無縫傳輸大容量數據，同時可交換各種服務，并能使用標準組件和工具。目前，低實時能力和高抖動是其最薄弱的地方。為此，各家制造商和組織都在積極開發擴展的以太網協議，它們將滿足工業現場通信的特定需要。
8.1.2 實時以太網通信
一個系統是否具有實時能力基本上取決于相關應用的需求。通常把傳統的現場總線例如INTERBUS，PROFIBUS或者DeviceNet/CAN描述成具有實時能力。在所有的情況下，實時能力只是一個定義問題。如果信號和達到的響應時間滿足任務需求，那么這個就可以定義為實時。如果這個時間是完全確定的，那么我們稱這個系統是“具有硬實時能力”。在一個確定性系統中，例如SERCOS和INTERBUS，除了系統相關的偏差（抖動）外，CPU信號的計算可以精確至微秒級。實時性和確定性是采用TCP/IP通信的標準以太網最大的弱點之一，因此也是工業以太網協議需要解決的兩個關鍵問題。
系統在任何環境下和在任何操作條件下對所有事件作出正確而及時響應的能力可以描述為“具有實時能力”。通常，實時能力的需求是用保證響應時間來表達的。
在一個由分布式組件組成的系統中，組件特性以及設備之間所使用的總線特性都起著十分重要的作用。需要考慮的值是通信系統的參數，例如網絡吞吐量（帶寬），等待時間，等待時間偏差（抖動）和同步性。對于一個必須要完成同步操作的任務而言，其各個網絡節點的同步性尤其關鍵。
一個系統如果其使用的組件滿足下列相關要求的，則其具有實時能力。
* 終端設備在規定時間內處理數據。
* 設備之間的數據傳輸在確定時間內完成。
* 當交換機用于分發以太網報文時，必須在固定的時間內完成。
以太網最初的CSMA/CD方法由于存在沖突而造成延遲不能排除，因而已不再適用。目前，在使用以太網時，有許多不同的策略可用于實現兩節點之間的通信達到確定的響應時間。
對于基于以太網的實時通信的未來標準，就控制系統硬件、I/O終端設備和基礎設施有各種需求。值得注意的是，各種架構所使用的以太網通信技術也不一樣。Ethernet/IP需要一個強大的交換技術，而在I/O組件應用方面相對來說簡單得多。Powerlink則需要集線器技術作為其基礎設施，這是因為假設由于其穩定的通信順序，而沒有沖突發生。PROFINET RT數據傳輸要求交換機支持IEEE802.Q定義的虛擬局域網VLAN標簽，通過優先級排序，從而使實時數據能作為優先級高的信息快速轉發至控制系統。對于EtherCAT和PROFINET IRT，在網絡設備中應用了專門ASIC，用來及時地在協定點傳輸設備數據，以使實時通信得以實現。
要保證像以太網這樣的分布式網絡協議的實時性十分困難，因為站點傳輸準備就緒并不能協調一致。當每個站點從上一協議層接收到待轉發的數據時，開始進行傳輸，而且傳輸通道是空閑的。以太網控制器從IP層接收數據包的時刻點視站點內部或外部事件而定。
確定性的響應可以采用以下兩種方法得到：
* 使用時間戳，可以根據時間分配幀，即使是實際的傳輸不再同步。
* 采用固定時間槽模式進行同步的通信，為每條信息和每個設備分配固定時間槽，確保了時分復用多路中無沖突傳輸（TDMA—時分復用多路存取）。
兩個方法的需求是所有站點都要以相同的同步時間基準進行操作。一個根本的問題是如果在傳輸路徑中沒有確定性通信，則如何同步分布站點的時鐘。目前已經提出許多解決該問題的方法。下面將介紹其中兩個主要的解決方法。
網絡時間協議（NTP）被用來同步分布的時間服務器和客戶機。在層次性的NTP模型中，一些參考資源被連接到通常可訪問到的網絡設備（主時間服務器）上。主時間服務器（第一層）包含了一個基于一個GPS信號的參考時鐘，一個廣播時間頻率或者一個內部的時鐘（在自主系統中）。NTP的任務就是協調這些主時間服務器和低層服務器之間的時間信息。
NTP的一個簡化版，簡單網絡時間協議（SNTP），是為自動化技術中性價比更優的系統而開發的。SNTP目前是第四版，它能使得通過遠程調用（RPC）進行簡單無國界操作。SNTP是基于UDP/TIME協議算法之上的。
IEEE1588被稱為是“用于網絡測量與控制系統的精確時鐘同步協議”，簡稱精確時間協議（PTP）。它為大量分布式實時時鐘的同步定義了方法和程序，而這些分布式實時時鐘是通過發送數據包的網絡相連的。
IEEE1588標準由三個方面組成：
* 用于PTP網絡自動分割的方法
* PTP時鐘的設計
* 網絡化PTP時鐘的同步
PTP提供了如下的解決辦法：如果所有的設備都相連且可以被尋址，其中一個設備被用來作為主時鐘。在圖2中，即設備A。它發送一個由軟件生成的初始同步信號到總線上，其中包含本地時間（T aa）和協議棧延時的預估值（軟件延時）。當前的傳送時間被硬時鐘記錄(T ab)，傳送給軟件驅動，并在第二個報文（follow-up）中發送。接收者可以用第一個報文，第二個報文以及它自身的時鐘(T ad和T bd)來計算出與主時鐘之間的時間差。這個同步過程在同步信號周期內重復執行。所需時鐘頻率是基于所期望的精確性、晶振的穩定性以及系統中溫度的波動。在協議范圍內該值可介于0.125Hz到0.5Hz之間。
圖2 時鐘同步
主時鐘監控是由最佳主時鐘(BMC)算法決定。每個PTP時鐘必須在規定的數據集中發布其屬性，以為所有的總線設備都可以訪問得到。這將使設備決定它們是作為主設備，還是從設備進行操作。
8.1.3 工業以太網標準
在一些大公司和組織的強力支持下，工業以太網協議最近幾年發展非常迅速，基于以太網的方案已經越來越多地用于工業數據通信。在現場總線國際標準IEC61158第三版中，納入了基于以太網概念的PROFINET、Ethernet/IP和Fieldbus Foundation HSE。與此同時，IEC SC65C委員會開始啟動一個新工作項目IEC61784-2 “基于ISO/IEC8802-3通信網絡實時應用的附加行規”標準制定工作。相應的活動在IEC SC65C/WG11 “實時以太網（RTE）”第11工作組中進行，該工作組將定義通信行規直至2007年8月。此外IEC61158標準已經包括了通信系統的RTE擴展方案，如PROFINET IO。其它基于以太網的解決方案，如MODBUS TCP，EPA，EtherCAT，PowerLink等，其基本規范現已作為PAS（Publicly Available Specification）公共可用規范發表，并將進入2007年底完成的IEC61158下一個版本。這其中，EPA是由浙大中控推出的工業以太網標準，它是我國制定的第一個擁有自主知識產權的工業自動化國際標準。
2004年，INTERBUS Club正式宣布全面支持Profinet工業以太網。INTERBUS Club和Profibus User Organization組成聯合工作組，共同開展PROFINET協議規范的制定工作。這意味著在全球應用最為廣泛的兩種現場總線Profibus和INTERBUS都支持Profinet技術，從而保護了制造商與用戶在更新換代自動化產品和解決方案時所做的大量投資，保證從現場總線到以太網技術的平滑過渡。
8.2 PROFINET技術
PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的基于工業以太網的自動化標準，用于實現基于工業以太網的集成、一致的自動化解決方案。INTERBUS Club曾對各個制造商和組織所開發的以太網協議性能特性及其相關規范進行了深入分析與詳盡研究，所得的結論是PROFINET能最好地滿足工業通信的需要。
PROFINET提供適應各種類型設備的三種通信信道：標準通道（TCP/IP, UPD/IP），實時通道RT（Real Time）和等時同步通道IRT（Isochronous Real Time）。這三種通道在同一個網絡或設備上能夠同時運行，如圖3所示。
圖3 PROFINET系統通信通道
標準通道適用于具有100ms典型響應時間的簡單設備。它能夠用于設備的參數化和組態，如讀取診斷數據。對于典型循環時間低于10ms的場合，RT通道具有與最新現場總線系統相同級別的性能，在設備中RT通道能夠采用軟件方案實現，通道支持用戶數據、事件驅動報文和報警等高性能周期傳輸。循環時間小于1ms和抖動低于1us的IRT通道用于高動態的運動控制應用。IRT基于一個以太網芯片，用它在IRT網絡中創建高動態特性。
圖4 PROFINET的實時性和通信通道
為了實現制造過程最佳化，可直接訪問控制和生產級的所有自動化數據應該是生產計劃管理系統最重要的因素。PROFINET使用以太網標準通信技術和IT技術，如OPC、XML、COM/DCOM、DHCP、SNMP、FTP和HTTP，與TCP/IP和RT技術一起共同將上述需求付諸實踐。
8.2.1分布式自動化（PROFINET CBA）
PROFINET CBA（Component Based Automation）基于組件的體系結構模型，由于其定義了子系統及其設備之間的工程設計和通信，所以它支持將自動化功能分散于各個智能子系統的發展趨勢。所謂“組件”就是實現基于開放標準的模塊化、分布式應用的一種統一的軟件結構。具體講，就是將機械組件、電氣/電子和用戶程序也就是一個具有獨立工作能力的工藝模塊抽象成一個可以反復使用的“組件封裝”。組件可以獨立運行，并且可以方便地與其它組件交換數據。
在PROFINET工程設計分三個階段創建系統范圍的應用，即：
（1）創建組件
機器或設備的制造商創建組件（作為工藝模塊的通信封裝）。與以前一樣，采用有關的制造商專用的工具對這些組件進行編程和組態。這樣，就可繼續使用現有的用戶程序，編程和維護人員可繼續發揮他們已有的技能。完成后，以PROFINET組件的形式封裝用戶軟件，并以XML文件的形式創建了組件描述（PCD），在PROFINET協議中對該文件的格式做了規定，這些組件描述將輸入到連接編輯器的組件庫內。
（2）互連組件
使用PROFINET連接編輯器i-Map，只需點擊鼠標就可以將已創建的PROFINET組件從庫內取出，并將它們互連以應用。應用簡單的圖形組態，連接代替了以前費時的通信關系的編程。連接編輯器將貫穿整個系統的各個分布式應用進行互連。它獨立于任何制造商工作，并可組態任何廠家的PROFINET組件。
（3）下載連接數據
將這些組件連接后，點擊鼠標就可將連接數據、代碼以及這些組件的組態數據下載到PROFINET設備中。因此，每臺設備都熟悉其所有的通信伙伴、通信關系和可交換的信息，從而可執行該分布式應用。
圖5 PROFINET基于多制造商的工程設計概念
8.2.2 分散式現場設備（PROFINET IO）
由于有PROFINET IO，PROFINET規范就能為簡單的現場總線設備提供一種集成模型，該簡單設備相當于通常所說的分散I/O。在工程設計時，設備以熟悉的現場總線環境方式編址，通過設備描述和邏輯上分配控制器，使用指定的工程工具（PCWORX, STEP7等）實現集成。
由于網絡上所有的以太網設備具有相同的通信權，現場總線技術的主站/從站處理方式要轉換成PROFINET IO提供者/消費者模型。提供者是一個發送器，它傳送非請求型數據給通信伙伴，然后由消費者處理數據。
在PROFINET IO架構中，有如下不同的設備類型：IO控制器，IO設備，IO監視器。
IO控制器是一個訪問與其相連的指定IO裝置的設備。在分布式功能單元內，它通常是一個順序控制器，它與指定的現場設備交換輸入和輸出信息。
IO設備是一個分布式現場裝置（如遠程I/O、驅動、閥島、開關等），它被分配給一個或多個IO控制器。它不僅發送過程和組態數據，而且也發送報警信號。IO設備之間數據交換通信量由提供者/消費者子模塊的組態控制。
IO監視器可以是一個編程設備或是一臺工業PC，它像IO控制器一樣能夠訪問所有的過程和參數數據。
在IO控制器、IO監視器和IO設備之間存在應用關系。這些關系同樣也包括用于組態數據（標準通道）、過程數據（實時通道）和報警（實時通道）信號傳輸的通信關系。使用上下文管理系統（Context Management System）創建這些關系，管理系統也用于設置通信關系的相關通信參數，該參數被用于建立和消除設備的標識。
為了便于尋址，上下文管理系統使用設備模型來描述從PROFINET IO視點所看到的一個指定現場設備的功能。對所有的現場設備來說，該視點必須是一致的，從而允許不同制造商的產品和不同設備之間通信。由于一個設備可包含多個IO邏輯設備，所以PROFINET系統中IO設備與物理現場設備不必要相對應。IO設備自己定義槽位，只要它們至少由一個代表實際功能的子模塊組成，該槽的模塊就能被集成。
圖6 PROFINET IO設備模型
8.2.3 現場總線的集成
使用代理服務器（Proxy），能夠很容易地將現場總線方案集成到PROFINET系統。代理服務器在這里被看作是以太網中現場總線設備的代表，它把連接到下一級的現場總線系統（INTERBUS，Profibus等）的設備集成到較高級的PROFINET系統。這樣，在PROFINET環境中仍能發揮現場總線的優越性，例如INTERBUS總線的高動態性能、本地化診斷以及無需設置設備系統自動組態功能等。
PROFINET使用基于XML語言GSDML（類站描述標記性語言）對設備進行描述。把所有相關的現場設備數據（包括技術特性和通信信息）進行描述從而使得設備能在PROFINET網絡中獲得地址。以下是一個在STEP 7環境下集成的例子，其中在硬件配置器中把INTERBUS 代理服務器作為下層INTERBUS系統的代表進行集成。可選擇從不同開發環境中進行設備集成，這也表明不同廠家設備組網的互操作性。在下面的例子中，這些信息對組態而言非常重要：
* A代理服務器 FL PN/IBS
* B INTERBUS 代理服務器的FL PN/IBS的GSD文件
* C INTERBUS 代理服務器集成為PROFINET IO設備
* D INTERBUS 代理服務器的IP地址
為了使PROFINET IO符合現場總線的要求，采用模塊映射的概念將現場總線系統集成到PROFINET IO中。這意味著用戶不需要其它單獨的現場總線配置器。設備組態可以在PROFINET組態軟件工具中完成，如采用西門子SIMATIC STEP7或菲尼克斯電氣PC WorX軟件。
一個INTERBUS的結構通過一個PROFINET IO 代理服務器（INTERBUS 代理服務器/總線耦合器）集成到PROFINET網絡中。這個代理服務器是基于以太網的PROFINET系統和INTERBUS現場總線系統之間的網關。設備專用的GSD文件不僅包含了預定義的INTERBUS設備（設備描述），還包含了所有適用于通用模塊的INTERBUS設備描述和變量信息。這意味著在INTERBUS 代理服務器下的設備都可以添加到硬件目錄中去。一旦這個“代表”集成之后，低層的設備也可通過拖曳的方式移到代理服務器中的空閑槽中。INTERBUS設備主站占用1號槽。槽號與其在INTERBUS物理設備位置+1相對應，集成是用槽/子槽機制描述的。
INTERBUS代理服務器的啟動方式和其它I/O設備一樣。一旦分配了一個PROFINET IO設備名稱（設備命名），期望的配置便可從軟件工具下載到控制器中（I/O控制器）。當系統啟動后，控制器初始化所有配置了的I/O設備。在啟動階段，各個參數從軟件傳送給I/O設備。對INTERBUS來講，INTERBUS主站集成至INTERBUS代理服務器中，所傳參數包括主站配置所需要的所有參數。組態錯誤信息，如不正確的INTERBUS設置，將在INTERBUS代理服務器的啟動階段被檢測出來，并以文本格式在軟件中顯示。
在啟動階段，INTERBUS設備的輸入、輸出數據映射為PROFINET IO系統中的相應過程數據。因此，一個完整的INTERBUS段在模塊映射中只需要一個以太網幀。這個幀包含了各個INTERBUS設備的數據。
一旦組態被存儲和編譯后，就可通過“在模塊中裝載目標系統”（Load destination system in module）菜單項傳送到PROFINET IO控制器中（本例為S7型CPU）。裝載成功后，S7 CPU使用所存儲的組態啟動。這樣，INTERBUS組態幀便可臨時存儲在INTERBUS代理服務器中，并通過其參數激活，這些參數包括槽號、“ID代碼”、“過程數據長度”、“總線層”、“選擇組”以及“組編號”等。
圖7 PROFINET網絡中的現場總線
由于設備結構用作組態幀，因此是以連續的方式占用槽。含有設備描述（包括名稱和訂貨號等信息）的INTERBUS設備，可從硬件目錄中進行選擇。對于那些沒有設備描述的設備，在硬件目錄中含有模塊屬性相同的相應通用模塊，可以從中進行選擇，如圖7所示。必須知道所要插入的設備的過程數據長度。通過過程數據長度，在S7 CPU中可以定義設備的IO地址。
8.3 結束語
近二十多年由于通信技術、計算機技術、網絡技術的迅速發展，工業自動化控制領域也隨之得到了迅速的提高和改革，自動化工程師不僅將這種新技術大膽的運用到工業實踐, 而且對如何將現代通信技術成功地應用到工業自動化控制問題進行了激烈的爭論。事實證明現代自動控制的發展是與現代通信技術的發展緊密相關的，無論是現場總線還是工業以太網都對工業控制系統的分散化、數字化、智能化和一體化起到了決定性的作用，特別是近10年來興起的工業以太網技術是計算機數字通信技術向工業自動化領域的延伸，它的發展將促使自動化系統結構發生重大變革。它集中了自動化控制技術、網絡通信技術、計算機等多種科技成果。由它組成的開放式自動化控制系統，在國內外得到了迅速發展和應用，使傳統的自動化控制系統發生了重大的變化，其技術革命的深度和廣度在自動化控制領域是空前的，越來越受到電力、冶金、交通、石化、樓宇、建材、輕工、紡織、礦山、環保、機械制造等行業的廣泛重視和應用。
工業以太網技術在自動控制系統的應用實現了徹底地分散控制。工業以太網控制系統既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統。它把作為網絡節點的智能設備連接成自動化網絡系統，實現基礎控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化的綜合自動化功能。是一項以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡為主要內容的綜合技術。
隨著信息技術的發展，目前在制造領域形成了信控一體化的體系結構，就是以資源規劃層（代表軟件為ERP）承擔系統的經營管理和生產計劃等管理和計劃工作，以制造執行層（MES）完成現場監控、生產調度工作，以現場控制層（FCS）實現對底層設備的控制。底層設備的信息通過現場總線傳遞到制造執行層，并可被資源規劃層使用，同樣資源規劃層中的生產計劃也會逐漸細化通過現場總線傳遞到相關的設備控制器中，從而實現制造系統中信息的交換與共享。而工業以太網將成為這種系統統一的通信技術。
本系列講座介紹了工業以太網的技術體系，對工業以太網的組成結構和通訊協議進行了論述，詳細地介紹了工業以太網的數據傳輸方式，并對工業以太網的組態和軟件系統進行了論述，介紹了Factory Manager的使用和編程方法，以及工業以太網系統的規劃與設計的方法和步驟，實際系統的安裝和連接的原則和方法；同時對工業以太網的診斷與維護，安全規范和發展進行了論述，介紹了INTERBUS技術和工業以太網技術之間的聯系與發展，最后也介紹了PROFINET技術。
當然，現場總線和工業以太網這兩種工業通信方法進入控制系統有前有后。現場總線在工業生產實踐中已得到了很廣泛的應用，充分體現了其在控制系統現場層的數據傳輸強大的優越性。工業以太網以它的價格優勢、技術成熟、易于與控制系統管理層數據的傳送和集合等特點,也越來越多得到了人們的重視。究竟在生產實際中應該采用什么樣的工業通信技術有待于工程技術人員的不斷探索，以實踐出發，提出一個實際可行的方案。此系列講座僅僅希望能作為今后采用工業以太網技術的一個參考。
作者信息：
張龍 杜品圣（工菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號