工业以太网的研究现状及展望1陈积明 王智 孙优贤(浙江大学工业控制研究所,杭州 310027)摘要简单介绍了以太网的发展现状并针对以太网在工业应用中的不足综合了现阶段国内外的研究提出了一些解决方案同时分析了工业以太网的发展前景关键词QoS 交换式以太网 VLAN 虚拟冲突 环冗余 OPC1 前言在现代工业控制中由于被控对象测控装置等物理设备的地域分散性以及控制与监控等任务对实时性的要求工业控制内在地需要一种分布实时控制系统来实现控制任务[1]在分布式实时控制系统中不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络以信息传递的方式实现的为了满足任务的实时要求要求任务之间的信息传递必须在一定的通信延迟时间内从信息传送到信息接收之间的全部通信延迟称作端对端的通信延迟它主要包括产生延迟排队延迟传输延迟和发送延迟四方面的因素其中排队延迟由通信网络的MAC层决定工业通信网络的采用不仅为实现过程分布控制提供了现实可行的条件而且对系统的实时性提出了强烈的要求为了满足工业控制中对时间限制的要求通常采用具有确定的有限排队延迟的专用实时通信网络典型的实时通信网络就是现场总线它是应用在生产现场在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通讯系统又称为开放式数字化多点通讯的低层控制网络被誉为自动化领域的计算机局域网[2]它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点以现场总线为纽带连接成为可以互相通信沟通信息共同完成自控任务的网络化控制系统由于现场总线适应了工业控制系统向分散化网络化和智能化发展的方向并且促使目前的自动化仪表DCS和可编程控制器(PLC)等产品面所临体系结构和功能结构的重大变革导致工业自动化产品的又一次更新换代现行的现场总线有FF PROFIBUS WorldFIP P-NETCAN和LONWORK等[3]尽管现场总线获得了巨大的成功然而现场总线这类专用实时通信网络具有成本高速度低和支持的应用有限等缺陷如何利用COTS Commercial off-the shelf技术来满足工业控制需要是目前迫切需要解决的问题[4]其中如何把Ethernet应用到工业已经成为工业控制和实时通信研究的热点Ethernet作为一种成功的网络技术进入市场已经将近二十年了在办公自动化和工业界获得了广泛的应用因为Ethernet具有成本低稳定和可靠等诸多优点Ethernet已经成为最受欢迎的通信网络之一然而由于Ethernet 的MAC层协议是CSMA/CD各个节点采用1坚持BEB Binary Exponential Back-off算法处理冲突具有排队延迟不确定的缺陷无法保证确定的排队延迟使之无法在工业控制中得到有效的使用随着IT技术的发展Ethernet的发展也取得了本质性的飞跃先后产生高速Ethernet和千兆Ethernet 产品和国际标准以及即将出现的十千兆Ethernet产品和国际标准针对Ethernet的排队延迟不确定性Ethernet又增加了双工通信技术交换技术信息优先级等来提高提高实时性同时Ethernet又改进了容错技术Ethernet的新变化已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视他们迫切需要知道Ethernet是否满足工业控制的要求采用Ethernet能够带来哪些好处和需要解决哪些问题现在在美国成立了工业自动化通信网络联盟Industrial Automation Network Alliance, IANOA其主要目的在于建立Ethernet为工业控制中的通讯标准[5]在欧洲成立了IANOA的联盟其主要目的推广Ethernet在工1基金项目国家自然科学基金资助项目编号6008401业自动化领域和嵌入式系统领域的应用在全球成立了工业Ethernet联盟Industrial Ethernet Alliance IEA其目的是建立工业控制界的Ethernet产品标准Ethernet的进一步飞速发展也引起现场总线领域极大的注意力FF已经放弃原有的H2标准把高速Ethernet作为H2的替代使高速Ethernet成为高速现场总线的新标准现在FF的高速Ethernet High Speed Ethernet HSE已经成为国际标准2 工业以太网的研究现状国内外学者近年来在工业以太网的研究工作中表明新技术的介入和具有实时功能的以太网协议的产生使工业以太网将逐步成为工业控制网络的主流技术碰撞冲突产生的带宽问题和排队时延的不确定性问题在理论上都得到了不同程度的解决工业以太网的现阶段的研究在以下的方向上取得了初步的成果同时有待更进一步的深入研究2.1 服务质量QoS有各种参数特征比如流量时延时间数据不稳定和丢失率等主要用来反映工业过程控制中的实时性能不同的用户有不同的实时性要求对于实时和非实时应用其要求是大不一样在实时性应用中单个的数据包必须不超过某个确定延时时间如果包来得太迟它就没有应用价值这种类型典型的应用是工业现场摄像头的影碟数据或者时间关键的控制信号传送等这种应用中迟到的包和丢失的包一样都会引起麻烦而在非实时应用中能够利用延时到达的数据包目前QoS体系有两种标准化的结构即IEEE定义的802.1p/Q标准和IETF定义的集成服务结构[6]IEEE802.1p/Q协议结合排队机理时允许交换机对现场数据进行优先级设置和流向指示IEEE扩充了MAC帧所带的用户优先字段这个字段有三个字符宽可以用来区分8种不同优先级的数据量因此定义了一种简单的优先级调度的方法单个队列严格按照优先级来操作最高优先级先发送802.1p/Q可以在廉价的硬件中实现它是向网络增加QoS功能的第一步但是它没有允许控制和管理机制所以如果相同优先级的数据流同时发送那么网络就会过负荷如果高优先级数据量充满整个网络那么它会阻碍其它的低优先级数据IETF定义了一种不同的方法集成服务结构建立在OSI三层的协议上通过探测流量的IP协议的帧头字段来实现集成服务开发了加权公平排队方法不但考虑了数据包个数而且考虑它们的长度这种方法把带宽分给了不同的类别通讯量属于同一个优先级的数据包将被放入同一个队列至于哪些数据在哪个队列被处理要由应用和网络之间的信号机制来商议这种方法保留了队列的空间如果资源不够的话用户请求会受到拒绝重新发出一个低级的QoS的请求或者给用户显示错误的信息IETF集成服务结构需要路由器区分通过不同数据流的包用地址和端口号来标记流量同时采用允许控制使实现某些服务参数成为可能QoS机制保证了工业现场相对较少的时间关键的时延容忍度很低的数据量比如控制信号的实时性2.2 交换式以太网交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出交换机主要用来把网络分成不同的冲突域同时对网络进行扩展这种网络的性能主要由传输和接收的元件的性能决定通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽为每个用户提供了独占的点到点链路这样在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备因此不需要竞争底层传输信道建立了真正意义上的地理位置分散的网络网络的带宽问题得到了妥善解决现场设备1现场设备2图1 交换式以太网交换式以太网的交换技术分为存储转发式直通式和无碎片直通式[7]在存储转发式交换技术中引入了高速缓存器作为发送帧的输出缓冲器端口之间传输速率的差异可以进行缓冲所以这种方式支持高速端口可以连接在不同传输速率的介质上但是这种方式由于需要对帧进行差错校验和其他的一些服务如协议转换所以缓冲器必须把数据帧完整的接受下来为此产生了时延直通方式比较快不作差错校验直接把帧转发到正确的端口而无碎片直通式在二者之间作了些权衡交换式以太网克服了传统以太网的缺点大大提高了网络性能使原来的共享式带宽变成了独占式带宽较好的解决了带宽问题2.3 虚拟冲突虚拟冲突是在CSMA/CD 协议的基础上所作的修改一定程度上提高了CSMA/CD 的性能[8]这种冲突仅适用于星形的拓扑结构这个协议的关键在于限制冲突的时间保证好帧的传送从而确保冲突的站点中有一个能够完成帧的传送其它站点都处于冲突状态如果同一时间有多个帧同时到达就需要由仲裁来进行选择一次成功的传送和下次传送之间的时间间隔应该大于网络的环路延时增加虚拟冲突后事件发生的顺序如下图2示A站发送B站也发送冲突B站放弃发送A站发送完成B开始发送图2 带虚拟冲突的CSMA/CDA 站首先发一个帧中继器接收这个帧并把它分配个其他端口B 站在接受到A 站的帧之前开始传送B 站的信号送到中继器但是被中继器忽略B 站在传送期间收到A 站的数据信号认为发生了冲突故停止发送A 站完成成功传送之后它的数据信号被其他各站接受等待若干字节的时间后B 站重发数据利用虚拟冲突实现的网络能够承载多媒体业务可以实现信道的完全利用保证数据传送的公平性提供优先级机制控制时延2.4虚拟局域网VLAN 基于网络交换技术建立跨越不同物理局域网段不同类型网络的各站之间的逻辑局域网段称为VLAN [9]这种方法事实上也就是把交换机的某些端口的集合作为VLAN 的成员一个VLAN 集合的成员可以存在于不同的交换机每个VLAN 具有唯一标识的网号各站在所发出的每个帧的帧头地址中采用了帧标识处理法在帧经过交换式网络时都携带这个标识由于各站所发出的帧头源地址中指明了MAC 地址和具有唯一的表示帧在VLAN 所定义的端口中传播只有极小的时延其他的VLAN 收不到广播信息减少了不必要的广播流量有效的控制了广播风暴一般一个交换器可以建立几十个VLAN 但是VLAN 的自动化程度很低灵活性差一个网络站点从一个端口移到另一个端口时如果这两个端口不属于同一个VLAN 则需要重新配置网络2.5 可靠性以太网的环冗余是由Hirschmann 首先提出一定程度上解决了以太网的容错问题提高了以太网的可靠性[6]通过形成非常清晰和有效的冗余结构用户能够获得非常高的网络利用率冗余模式构造了一个简单环如图3所示这个环保证了即使失败情况下的数据的安全传输以太网构造网状结构时即使在好几个站点同时发送失败地情况下也能够提供网络的整体功能图3 交换机环冗余在交换式以太网中冗余的管理能够实现很高的网络的可用性交换式高速以太网启用环冗余的反应时间少于300毫秒这意味着在一个设备出错后网络可以在300毫秒后可以再次被利用许多快速的冗余算法为适应环冗余不断出现即使在需要重新配置网络的时候这些算法和以太网环布局也能保证继续进行生产操作这种方法还使得在网络还在运作时也能保持和扩大网络2.6 OPC 技术以太网是操作OSI 的最底下两层的协议而TCP/IP 主要用来操作传输层和网络层的协议事实上以太网和TCP/IP 能够处理不同的协议能力很强但是也因此引起互操作问题因此需要一个开放标准的应用层协议不同厂商的应用层的协议都是在小规模范围内存在不同产品的现场互操作性差以太网和软件相合点就是OPC 技术OPC 技术是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互实现控制系统开放的关键技术OPC 以OLE/COM 机制为应用程序的通讯标准采用了客户/服务器模式硬件接口开发工作由厂家来完成以服务器形式提供给客户同时规定了一系列的软件数据交换标准接口和规程解决了过程控制系统与其数据源的数据交换问题OPC 技术在工业以太网中的出现大大改进了工业过程控制系统的开放性和互操作性[10]此外采用OPC 技术在异构计算机环境实现工业过程控制系统变得更为简单如图4所示人机接口现场设备1现场设备2图4 过程控制的计算机异构环境另外,流量控制自适应负载平衡等实时机制也极大地提高了Ethernet 满足工业控制需求的能力使之有能力进入实时工业控制领域这些方面在今后是非常值得关注和研究3 结束语过程控制工业和自动化工业从嵌入式系统到现场总线控制系统都认识到了以太网和TCP/IP的重要性以太网和TCP/IP作为世界上最为广泛应用的网络协议它将成为过程级和控制级的主要的传输技术带TCP/IP协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/O模块中使用它能够与工厂信息管理系统进行直接的无缝的连接而无需任何专用设备因此可以说工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建了从底层的现场设备到先进与优化控制层企业管理决策层的综合自动化网络平台从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛 但是,就现在的研究状况而言以太网还不适合所有的工业自动化设备对于简单的执行器和传感器电子学还可以有很大的发展空间半导体工业将会给市场带来更小集成度更高的器件另外以太网连接简单的终端设备体现不出它的优越性以太网还没有在传输介质上提供模拟电压的方针以太网在进入工业控制领域的过程中将逐步成熟以太网是在很广的范围内已经被证明了技术作为二十一世纪未来工业网络的首选它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络参考文献[1] Hermann Kopetz. Real Time System Design Principles for Distributed Embedded Application [M], Kluwer Academic Publishers , 1997[2] Jean Thomesse. The Fieldbus, Proceeding of Intelligent Components and Instruments for Control Application, 1997, 13-23[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M].清华大学出版社,1999[4] Paulo Veríssimo, António Casimiro. Distributed Computer-Controlled Systems: the DEAR-COTS approach 16th IF AC Workshop on Distributed Computer Control Systems Sydney, 2000, pp. 128-135[5] IAONA-Industrial Automation Networking Alliance, USA, [6]Ethernet in Industrial Automation –Today and Tomorrow./indeth.asp - article[7] 赵宏.以太网交换技术[J].辽宁大学学报,2000,2[8] 韩煜国.实时业务和服务质量在千兆以太网中的应用[J].北京电信科技,2000,2[9] VLAN Information. /newvlan.htm[10]苑明哲,王智等.OPC 技术在现场总线控制系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2000,3。