工业以太网和基于Internet的远程监控系统

计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。同时，随着Internet遍及世界的每一个角落，人们已经进入了一个崭新的现代通信技术的时代。依靠以太网和Internet技术实现信息共享，能给办公自动化带来很大的变革，也必将对控制系统产生深远的影响。　　　　
　　一、工业以太网——控制系统网络发展的主要方向
　　　 一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，几乎所有的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：　　　　
　　(1)低成本的刺激和速度的提高。以太网适配器的价格大幅度下跌以及各种产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。20世纪80年代，10Mb/s的网卡售价近1000美元；现在100Mb/s的网卡售价仅为20美元左右，而且很多PC机已经集成有以太网接口。以太网最初的数据传输速度只有10Mb/s。随着1996年快速以太网标准的发布，以太网的速度提高到了100Mb/s。1998年，千兆位以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太网需要1.2ms才能传送一个1518B大小的帧；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120μs；如果采用千兆位以太网，这一时间只需12μs。现代以太网标准，比如交换、全双工传输、实时数据的优先级、带宽由10Mb/s到100Mb/s乃至1000Mb/s的升级，使以太网成为工业自动化网络中首选的传输方式。　　　　
　　(2)现代企业对实时生产信息有越来越多的要求。当前，人类已经进入了以互联网为基础的知识经济时代，企业活动也已扩展到全球范围，生产系统中最主要的3大要素：物质、能源和信息之间的关系发生了巨大变化，信息已成为最活跃的主导性因素。为了提高生产的效率和效益，人们迫切需要了解生产过程的实时数据，将实时生产信息与企业的ERP系统结合起来。而企业的信息层大多数采用了以太网的解决方案，当控制层和设备层都采用以太网时，则可实现各层之间信息的无缝连接，而且整个网络系统将是透明的。
　　(3)以太网的开放性和兼容性。现场总线从1984年开始提出到现在，共产生了60多个数字通信网络标准，有5000多种支持这些网络的产品。这些标准分别为不同的公司所拥有，并与他们的产品捆绑在一起，相互之间兼容性很差。这给那些使用多家产品的大型系统的集成和维护带来了很大的麻烦，因此迫切需要建立一个统一、开放的通信标准。工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC和DCS厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接的传统以太网标准(10Base-T)的基础上发展起来的，但它的传输速度从10Mb/s提升到了100Mb/s。在大多数场合，它还可以使用现有的布线。此外，以太网还允许逐步采用新技术。也就是说，没必要一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。　　　　
　　二、 工业以太网的特点　　　　
　　尽管工业以太网与普通商用以太网同样符合IEEE802.3标准，但是由于工业以太网设备的工作环境与办公环境存在较大差别，所以工业以太网设备要求工作温度范围较宽、封装牢固(抗振和防冲击)、导轨安装、电源冗余、24V DC供电等。一般来说，工业以太网设备与普通商用以太网设备之间的区别，如附表所示。

　　工业自动化还越来越多地要求工业以太网解决方案必须满足鲁棒性和可靠性方面的专门需要。在这一方面，德国赫斯曼公司(Hirschmann)一直处于领先位置，他们从80年代末就开始研究冗余以太网，拥有“环形以太网冗余”的专利(Europe-EP 0403763, USA-No.5.218.600)。该专利采用抗干扰的光纤和集成的冗余机制增强了数据网络的可靠性，从而保证了生产过程的正常进行。　　　　
　　过去，由于没有其他可供选择的方案，冗余网络都是采用双总线方式实现的。现在，以太网和交换技术使得建立冗余环网成为可能。只需在总线的两端之间增加一条链路即可实现高效率、高性价比的冗余。赫斯曼公司的集线器和交换机均可以构成环形拓扑结构用在关键的场合，以保证所需的容错功能。　　　　
　　赫斯曼公司的集线器(Hub)系统可以用于构造网格状结构的共享网络，保证即使同时发生多处故障时，网络仍然正常运行。该Hub的一个特点是当发生故障时可以在20ms内切换到冗余链路。　　　　
　　赫斯曼公司的导轨系列交换机的冗余管理器功能允许将总线结构封闭形成冗余环。如果一条链路发生故障，环形结构将切换为具有全部传输能力的总线结构，对于多达50台交换机构成的环，这一切换时间小于500ms。对于规模小的冗余环，这一时间会更短。　　　　
　　嵌入到导轨系列交换机中的智能控制功能允许实现多网段间的冗余连接。两个网段之间可以通过两条独立的链路相连，每条链路连接不同的交换机。连接主链路的交换机与连接冗余链路的交换机之间通过一根控制线交换它们的工作状态数据。当主链路发生故障时，冗余交换机立即启动冗余链路。一旦主链路恢复正常，连接主链路的交换机即将这一状态通知连接冗余链路的交换机。主链路工作，冗余链路断开。整个故障的检测和处理时间小于500ms。这样，在某条链路或者某个设备发生故障持续500ms以后，网络又变得完全可用。　　　　
　　三 Internet技术提供了快捷经济的远程监控方式
　　 随着以太网技术的飞速发展，基于TCP/IP和Client/Server架构的分布式监控技术已经日趋成熟。但若要实现远程监控，一般仍需通过拨号方式登录远程服务器或者直接与控制器建立通信，这种方式比较简单、易于实现，但存在如下不足之处：　　　　
　　(1)使用成本高。因为远程监控的距离一般较远，采用直接拨号方式会带来高额的国内甚至国际长途电话费用。
　　(2)工作效率低。直接拨号方式只有当断开连接以后才可以进行新的拨号，这中间还需要等待一段时间让Modem复位。而且，这种方式无法做到同时监控多个不同的对象。　
　　(3)可用性不高。直接拨号方式需占用一条电话线路。拨号端不能预先知道对方是否正在通话，尤其是当系统在发生故障的情况下自动向上报警时会因为线路忙而不能接通。
　　(4)传输速率低。Modem直接连接的速度一般都很低，为19.2kb/s左右，不能满足数据量日益增长的需要。　
　　 实际上，远程监控完全可以通过Internet方式实现。目前，许多HMI软件除了支持标准Client以外，还支持Web Client和Terminal Server Client，但由于TCP/IP通信的两端必须有不同的IP地址来标识，在局域网上，每台计算机可以自行分配IP地址，这些计算机的IP地址是固定的。在互联网上，由于IP地址资源的限制，不可能让用户自行分配IP地址，用户每次通过ISP拨号上网后，由ISP自动分配用户IP地址，下网后，自动释放此IP地址。因此，若要使用Web Client和Terminal Server Client并使用Internet方式实现远程监控，必须为Web Server或Terminal Server设定IP地址。而在互联网上申请一个固定IP地址的费用非常高，因此这种方式不太现实。　　　　
　　为了提供快捷经济的远程监控技术，上海海得控制系统股份有限公司做了大量的研究，所开发的基于Internet的远程监控系统无需用户申请固定的IP地址，从而给用户带来了很大便利。与直接拨号方式相比，采用基于Internet的远程监控具有许多优点。
　　(1)它不存在国内和国际长途电信费用，不管用户的设备在何地，所需费用仅为市话费加上网费；
　　(2)多点可同时对一点进行监控，当多个用户同时向监控中心发出故障信息时，不存在“忙音”问题；并且监控中心可以对多个客户进行监控，切换时间可达毫秒级；
　　(3)可以在一根线路上同时传输数据、语音、图像，实现数据、语音、图像三网合一；
　　(4)可以实现同步运行监控软件和PLC编程软件，从而实现远程修改程序参数、上下载PLC控制程序。　
　　　
　　四 工控技术的“IT”化将重建企业网络模型　　　　
　　工业以太网和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层。需要注意的是，由于企业的3层网络传输的数据类型和对实时性的要求不同，所以虽然从上到下都是工业以太网，但在不同层次之间还需设置路由器或网桥(如附图所示)。使用路由器可以阻断以太网上的广播信息，但如果所选择的路由器速度太慢，则会形成传输的瓶颈。
　　以太网本质上只是一个物理层标准。目前在传输层和网络层的协议基本上已经统一，TCP/IP已为多数工业控制器厂家所接受。在应用层的协议上还存在着分歧，目前3个主要的竞争对手是Modbus/TCP(基于TCP/IP的Modbus协议)、EtherNet/IP(基于TCP/IP的Control-Net/DeviceNet)和基于以太网的Profinet协议。Modbus由于它本身是一个开放的协议，为众多的供应商所支持，所以如果说在现场以太网方面存在事实上的标准，只能是Modbus。但从市场和利益角度考虑，工业以太网在应用层的统一还需要比较长的时间。由于以太网本身的开放性，它允许在同一个网络上运行不同的应用层协议，在许多实际应用中具有明显的无可替代的优势。　　　　
　　采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“透明工厂”。　　　　
　　此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向定单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求。　　　　
　　五 结束语　　　　
　　毫无疑问，以太网在工业自动化网络方面扮演着一个非常重要的角色。根据对三大汽车制造商的最新研究结果，以太网至少可以适用于70%的现场网络，这意味着工业以太网有着非常广泛的前景。随着在工业领域的进一步应用，以太网不仅会对企业内部的通信系统产生巨大的改进，保护既有的投资，还将对企业的管理和运营方式产生深远的影响。