一、以太网的优越性

　　现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开∑放性、分散性和完全互可操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向之一。然而就目前情况来看，现场总线技术的发展存在的最主要问题是没有一个统一的国际标准。由于支持总线的集团间利益冲突等原因，不同现场总线产品间的互联非常困难。这不但使FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，给用户的使用带来了很大不便，也给现场总线技术的推广及现场总线控●制系统的应用带来不利影响。

　　与此形成鲜明对比的是，以太网(Ethernet)技术在没有任何标准化组织支持的情况下却发展得非常迅速。以太网由于其开放性好，应用广泛以及价格低廉等特点，不但垄断了商业领域的网㊣　络市场，而且在工业】控制领域(主要是在企业管理层)也得到了大规模的应用。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层通信，而且各种现场总线也大多ξ开发出以太网接口，因此可以说以太网己经成为工业控制领域的主要通信标准。这主要是因为以太网具有以下优点:

　　(1)应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到〓广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如Java、VC++、VB等。这些编程语言使用广泛，具有很好的发展前景。因此，若用以太网作为现场总线，有多种开发工具、开发环境可供选择。

　　(2)成本低廉。由于以太网应用的广泛性，得到了硬件开发与生产商的高度重视与广泛支持。已有多种硬件产品可供用户选择，且价格也相对ζ　低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的1/10，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。

　　(3)通信〓速率高。目〗前通信速率为l0Mb/s,100Mb/s的快速以太网已经广泛应用，1000Mb/s以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s以太网亦己推出。其速率可以满足对带宽的更高要求。

　　(4)软硬件资源丰富。由于以太◥网已应用多年，大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

　　(5)可持续发展潜◇力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，由此也保证了以太网技术不断地持续向前发展。

　　因此，如果工业控制领域以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术发展的主流技术之外，从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入，这一点是任何现场总线技术所无法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通信协议有更高的∴灵活性，这些以太网都能很好■的满足。

　　二、基于工业以太网的电厂综合自动化系统体系结构

　　现场总线本质上是一种控制网络，但与Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求「。为适应这种需要，现场总线标准仪表仅使用ISO/OSI7层模型中的3层:物理层、数据链路层和应用层。为使现场总线标准既是一种通信标准，又※为一种系统标准，使FCS成为可ㄨ操作系统，H1总线中增加了一个用户层，用户层为现场设备内部信息的存取及如何将信息传送给网内同一节点或不同节点作了定义。

　　IEC61158标准中的8种现场总线采用完全不同的通信协议，H1采用链路活动调节器方式和发布/预订接收通信模式;ControlNet使用并行时间域多路存取(CTDMA)方式和生产者/客户通信模式;Profibus是令牌环和主站/从站方式;P-Net采用虚拟令牌传递方▅式;HSE采用CSMA/CD方式，SwiftNet采用槽路时间片多路存取(STDMA)万式;WorldFIP使用总线裁决方式;Internet则采用整体帧协议方式。因此，要实现这些总线的集成，存在较※大困难。

　　综合考虑企♂业范围内各种需求，结合IEC61158中几种典型现场总线标准的特点，基于以太网的电厂综合自动化系统结构可分为3层，从低到高分别为现场控制层、监控层和企业管理层，见图1。

　　(1)现场控制层由现场设╲备和控制网段组成。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，由带有功能块的现场总线设备完成对生产过程的控制。低速总线H1支持点对点①连接、总线型、菊花链型、树型☆拓扑结构，而高速总线HSE仅支持拓扑结构。H1和HSE总线用户层包括大量的功能块，可通过联结分布在各个现场设备中的功能块来实现控制系统结构设计。HSE和IEC61158中的其他几种总线，在底层主要表现为装置级总线，要达到多种总线标准共存，可在不同网络协议的现场总线之间加入协议转换器(网关)，识别并理解不同格式的数据包，并在不同的网络ω　之间转发。

　　(2)监控层由高速¤以太网(HSE总线)以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站组成。现场控制层通过现场总线接口与监控层相连，监控站可以完成对控制系统的组态设计和下装】，执行对控制系统的监视、操作、趋势分析、报警、维护及各种人机交互功能。监控层除了上述功能之外，还为实现先进控制和过程操作优化提供支撑环境。

　　(3)企业』管理层由各种服务器和客户机组成，其主要目的是在分布式网络环境下，集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上○层的关系数据库中，这样管理层用户就能々随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在企业范围内实现底层测控信息的实时传递。另外，也可以通过租用DDN专线或利用公众数据网，实现在广域网范围内的远程监控。

　　在整个基于以太网总线的企业综合自动化』系统中︾，现场控制层是整个系统的基础，只有确保该层安全、可靠地运行，上层网络才能获得信息，实现其监控功能。由于现场控制网络的○确定性要求较高(一般要求网络的时间延迟小于2～4ms)，至今也没有一种底层总线在这方面更占优势，这也是总线标准难以统一，且现场总线方面的研究主要停留在底层的重要原因。从企业综合自动化系统的完∏整性角度看，现场控制层与监控层、企业管理层之间的数据传输与交互问题，即实现控制网络与信息网络的紧密集成问题也应是研究的重要课题。

　　三、系统集成技术

　　目前，企业的综合自动化系统中各种¤通信协议并存，为企业□随时了解生产情况，实现远程监控、诊断和维护，进而进行优化控制和调度决策带来较大困难，以下依据本文提出的综合自动化体系结构，描述了几种较为有效的系统集成方式。

　　3.1硬件集成方式

　　在底层网段与控制层之间加入中继器、网桥、网关等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。在现场总线的◤各种标准中，对一条总线段上容许挂接的ㄨ通信节点有严格的规定。同种类型的总线，可采用中继器实现网段的延伸和网络节点数的增加，采用网◤桥实现不同速率网段之间的连接。不同类型的现场总线网段之间∮可采用网关实现互连。大多数现场总线标准都设计了专门的协议转换器(网关)完成低速总线网段与高速总线网段的连接，在同一控制器母△板上连接多个网关，将不同类型现场总线网段与以太网相连，组成异构综合网络，是常见的多种现场总线集成形式。网关集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一ㄨ般是采用TCP/IP的以太网，当现场设备有大量信息上传№或监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。

　　为满足工业控制网络的QoS耍求，目前越来越多的共享介质段通过Switch连在一起，形成一个交换式的以太网。交换机采用虚连接工作方式提供大容量的动态交换带宽，克服了传统以太网中由于传输链路共享所造成的信道冲突，因此用它来代替传统的集线器、网关和路由器后可使№有实时要求的站点的通信在保证最大延滞条↓件下通过交换机透明地转发(见图2)。

　　图2所示的具有交换能力的以太网结构可以保证每次的数据传输时间的确定性。但是一般情况下，交换机只对所有数据包做平等处理，包的转发仅按照队列结ㄨ合考虑FIFO规则处理，没有优先╱级机制。为了改善数据流的可控性，可以引入把用户需求与多个虚拟队列结合考虑的优先级机制，以保证QoS要求。问题的核心是如何设计能满足工业控制特点的调度机制和【队列。

　　在图2所示结构中，每次转发的数据包必须经过两个或者更多的等待队列处理，等待队列对应于一个优先级相同的数据包或称相同的流量类型(TrafficClass，指在→同一网络中具有相同QoS的数』据流集合)，与等待队列相关联的必须有一个合理的调度过程。目前两个国家组织分别提出了两种不同的调度算法。

　　IEEE制定了一个称作"简单优先级调度"的方法，它在MAC层的数据包上加一个3bit宽的"用户优先级域"，可标识8种不同的TrafficClasses，然后严格按照优先级的高低安排等待队列。IEIF则在其提出的集成服务(integratedservice)架构中设计了↑称作"平衡队列(weightedfairqueuing)"算法。其核⌒　心思想是综合考虑用户需求、数据包的长度、数量等对等待队列赋予可变优先级。两种方法各有千秋，在现阶段IEEF方案可以较容易地应用于工业控制网络交换→机的设计。IEIF方案将主要用于办公自动化和上层的路由网络中。

　　硬件设备也可以是一台专门的计算机，计算机通过运行软件完成数据包的识别、解释和转换;对于多网卐段的应用，它还可以在不同网段之间存贮转发数据包，起到网桥的作用。

　　3.2软件集成方式

　　(1)动态数据交换(DDE)。当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存贮器工『作站时，可以采用DDE方式进行二者的▽集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息。监控计算机是控制网络的工作站，也是信息网络的工作站。其中运行两个程序:一个是通信程序，用来接收实时信息，为信息网络数据库提供实时数据;另一个数据库访问应用程序接口，它接收DDE服务器实时数据并写入数据库服务器中，供信息◥网络使用。

　　DDE方式实时性≡较强、易实现，可以直接使用标准的Windows技术。但涉及到复杂的协议转换时，这种方式的软件开销较大。因此这种集成方式适用于简单的小型系统。

　　(2)过程控制对象的链接々与嵌入(OPC)。OPC技术是实现控制网络数据库集成的有效工具，只要每个应用程序都给其它应用提供一个标准OPC接口，可以灵活而有效地应用和现场设备之间读写数据。通过在监控工作站中为每种现场总线⊙网段编写OPC服务器软件，由OPC服务器为计算机的应用程序提供一致的访问接口，分别读写不同总线段的OPC服务器，可以□实现不同总线设备之间的数据交换▲与集成。

　　(3)开发式数据库互连(ODBC)。实时数据库与关系数据库是企业信息集成的重要支撑，也是实现数据交换与共享的有效工具。由于ODBC技术可作为连接数据库的统一界面标准，通过它能较容易地创建与各种数据库进行交互的程序。因此,ODBC可作为系统集成的又一种有效工具。特别是动态服务器网页(ASP)技术和ActiveX技术的出现，使∏得在服务器执行程序变得更加方便。目前，Java在网络中的⊙广泛应用使得采用JDBC/ODBC方式访问数据库非常容易。

　　3.3统一的网络协议标准

　　以太网本身仅定义了物理介质、数据帧格式和LAN内设备的数据□包的传输寻址方案，它相应于OSI模型的最低两层。在其上的网络层和传输层可使用TCP/IP协议，让应用层信息在两个设备之间传输，但不能保证其有效的通信。采用以太网+TCP/IP的设备厂商都有各自的应用层定义，这意味着如连到同一厂♀房的以太网中的设备可以物理共存，但不能实现有效的互操作，也不能保证实时控制的要求。为此要在应用层给出一个类似FTP或HTTP协议的应用层◣规范，使类型迥异的各种设备能够拥有统々一的"定义"。两大组织IEA(IndustrialEthernetAssociation)和ODVA(OpenDeviceNetVenderAssociation)提出并定义了一个"以太网工业协议"Ethernet/IP，它是建立在802.3协议之上的、支持TCP/IP和CIP(Control&InformationProtocol)的架构体系。其结构见表1。

　　CIP本身是由DeviceNet和ControlNet提出并定义的应用层协议，是专为工业控制设计的基于对象的一种方法(体系结构、数据类型、服务等)，提供了访问数据和控制设备操作的服务集和对象库。对象库描述了不同厂商的设备定义、标识等，使类型差别很大的设↓备可以直接连入网络且被整个系统"看到"，实现即插即用。

　　由此看出，Ethernet/IP使工业以太网更容易地与工厂底层充当主角的各种现场总线子系统FCS集成和并存№。同时Ethernet/IP还定义了显式(explicit)和隐式(implicit)两种报文。前者用于对时间无严格要求的点对点组态信息，报文的数据段载有协议信息及其服务的性能说明，要求各个接点必须解析每个报文，执行〗响应的任务，其报文的长短、出现频率有很大的变化。显式报文是由TCP协议完成的。对实时性』要求很高的信息，则使用隐式↓报文由UDP(用户数据报)+IP来传输。因其传输帧中不含协议信息，只有数据，故报文较短，运行时节点的处理时间大大缩短，在交换以太网的支持下具有实时性的保证。

　　Ethernet/IP将从应用层来的CIP报文压缩，封装成TCP或UDP的帧格式，然后通过具有Switch结构的Ethernet发送，在接受点拆包后还原为CIP报文，交给使用者。ODVA还提供免费的设备对象库的开发工具包和样例，供厂家开发自己的〗设备对象描述。

　　3.4标准︼功能块方式

　　为实现不同制造商产品的混合组态与调用，部分现场总线标准使用标准功能块技术实现设备间的互操作，进而实现系统』应用集成。标准化功能块提供一个通用的结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，如AI、AO、PID等，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成可在某种现场设■备中执行的应用进程。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。在Hl和HSE标准中，规定了32种标准功能块，但每种功能块只对功能块的外特▽性进行统一，而功能块内部的算法是由开发者设计的，为开发者保留了发挥自己产品特色或优势的空间。

　　四、结语

　　电厂综合自动化的基础是网络，要实现控制网络与信息网络标准的统一，还有许多具体问题有待解决。在多种标准共存情况下，工业以太网为沟通生产过程数据流和信息网络流起到了桥梁作用，探讨基于工业以太网的网络体系结构，深入研究通信系统与控制系统的集成，如网络通信系〗统组态、网络拓扑、配线、网络系统管◢理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等，是一项集控制、通信、计算机、网络多方面知识，集成软件∮于一体的综合性技术，对系统设计单位、系统集成商及工厂企业部具有重要意义。