基交换式以太网实现多现场总线集成

2019-11-03 19:20:23

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

夏锋　孙优贤
浙江大学工业控制技术国家重点实验室

　　摘要: 通过对现场总线的应用现状进行分析，指出集成是现场总线控制网络发展的必然趋势。基于交换式以太网技术，以变电站自动化系统为实例，提出了一种多现场总线的集成方案，给出了该方案的结构体系，对其运行机制进行了探讨，重点介绍了LonWorks、CAN和PRofibus等几种典型现场总线提供的以太网应用服务。

　　关键词: 现场总线; 交换式以太网; 信息集成; 变电站自动化

1引言 在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，大量的智能设备需要通过网络相互通信，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及管控一体化。

　　现场总线顺应了现场设备智能化的发展趋势，它以具备数字计算与数字通信能力的现场设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的纽带，构成数字式、双向传输、全分散、多分支结构的控制网络［1］。现场总线的出现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）等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革，导致工业自动化领域的一次更新换代。

　　从信息集成的角度来看，随着计算机、控制、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场［2］。为实现工业企业的综合自动化，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的集成网络平台，不仅为数据信息的纵向传递提供通道，同时保证横向设备间的相互通信。

　　但是现场总线技术在信息集成方面存在许多不足，现有的现场总线标准过多，仅IEC国际标准就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来，多种现场总线并存已成定局，不同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议，互相之间不能兼容，无法实现互操作［3］，无法协同工作，也无法实现信息的无缝集成［4］［5］。为了解决同一控制系统中多种现场总线的集成问题，在一些工程中通常是利用某种标准技术（如OPC技术等）开发能够连接其现场总线的接口。但各现场总线标准没有完全统一，需要开发大量的接口才能满足不同工控对象的需要。不少企业为了解决来自不同现场总线厂家产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。

　　交换式以太网技术的发展，提高了Ethernet的实时能力，使得工业以太网成为一种确定性网络［6］，而Ethernet/ip、HSE、PROFInet、iLon等新型现场总线标准的推出，更是为较好的解决多现场总线的集成问题提供了技术基础。

　　针对目前多种现场总线广泛共存的局面，利用交换式以太网技术，提出了一种适合现场总线工业应用现状的集成方案，并讨论了将其应用于变电站自动化系统的几种典型现场总线技术。

2多现场总线系统的集成趋势

2.1现场总线发展现状

　　现场总线是从20世纪80年代以来逐步发展形成的。根据IEC定义，现场总线是安装在生产过程区域的现场设备与控制室内的自动控制装置之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。现场总线用数字通信代替了传统的模拟信号传输，大量的减少了仪表之间的连接电缆、接线端子等，降低了系统的硬件成本；它不仅可以传输正常的测控信号，而且还可以传输设备状态、报警、趋势等附加信息，甚至可以对仪表进行远程编程和维护，因此被誉为自动化领域的计算机局域网［7］。

　　由于现场总线技术所蕴涵的巨大经济潜力，世界上不少公司投入了大量的人力、物力、财力全方位的进行技术研究和应用研究，目前形成了100余种各具特色的现场总线，其中宣称为开放型的总线就有40多种，由此引发了现场总线的国际标准大战。尽管经历了多年的努力，但IEC于2000年通过的现场总线标准却容纳了IEC61158（FF的H1）、ControlNet、Profibus、PNet、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFip、InterbusS等8种互不兼容的协议。异构现场总线互连和互操作的问题并未得到解决，用户仍要面临现场总线系统的选择和集成，需要花费大量的精力去解决不同标准系统之间的信息交互问题。另外，传统现场总线的通信速率大都较低，在某些场合无法满足工业网络成倍增加的数据通信量的实时性要求［8］。

2.2集成是现场总线的必然趋势

　　由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到了广泛应用。各种现场总线代表着不同公司多年的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重不同，各有特色，各有相应的应用领域。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线能够完全适用于所有的应用领域［9］。尽管工业以太网因其无可比拟的优势进入现场控制级已成为发展趋势，但至少现在看来，它难以完全取代现场总线而成为实时控制通信的单一标准［10］。因此，多种现场总线共存的局面将在一个很长的时间内存在。在由多种不同类型的现场总线构成的系统中，各种现场总线产品由于协议的不同而无法相互通信，严重妨碍了用户的选择。对用户而言，如果一个系统中每一个智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器，系统的组态性和灵活性将很差，而且改造升级的成本会很大。

　　随着工业以太网技术的发展，各现场总线相继推出了捆绑以太网的新一代现场总线技术和产品，以期建立能够让多种现场总线协同工作的控制系统。如Rockwell公司推出了由Ethernet、ControlNet、DeviceNet层总线构成的Ethernet/IP；FF则摒弃了原有的高速总线H2，从1998年开始制定HSE标准；Siemens公司也推出了PROFInet解决方案。这些新型现场总线技术均采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准以及TCP/IP协议组，使用标准以太网传输介质和连接设备，且兼容上一代现场总线系统甚至DCS。不难看出，多种现场总线集成起来协同完成工业企业的测控任务，是目前自动化系统供应商抢夺市场的重要策略，只有这样才能适应目前现场测控设备多态性和用户需求多样性的需要，最大限度的保护用户的利益。

3多现场总线集成的解决方案

3.1交换式以太网技术

　　众所周知，以太网具有全开放、成本低、带宽高、稳定性和可靠性高、应用广泛、共享资源丰富等优点，将其应用到工业网络已经成为国内外工业控制领域研究的热点。但传统以太网的MAC层协议为CSMA/CD，各个节点采用1坚持BEB（Binary exponential backoff）算法处理冲突，具有冲突时延不确定的缺陷［11］，使之无法在工业实时控制系统中得到有效的应用。

　　随着IT技术的快速发展，Ethernet的传输速度已经从10 Mbit/s提高到100 Mbit/s，以致目前的1 Gbit/s，使得冲突时间大大缩短；而交换式以太网技术的发展，则为彻底解决以太网通信的非确定性问题带来了希望。交换式以太网通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路，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，使不同设备之间产生冲突的可能性大大降低，网络传输的确定性问题得到了妥善解决［12］。

3.2多现场总线集成系统

　　在工业网络中引入现场总线，就是在工业现场建立一条高可靠性的开放式数据通信线路，以实现各种智能设备之间以及智能设备和监控单元之间的数据交换。现场总线技术不能实现统一的一个重要原因，就是因为采用了不同的网络技术。由于每种现场总线已经获得很多厂家的支持并拥有众多用户，运用单一的网络技术来实现现场总线的统一已不可能［13］。将交换式以太网技术引入工业控制系统，融合现存的多种现场总线，可构成如图1所示的一种多现场总线集成系统。

　　该系统中的现场总线均采用捆绑以太网标准的新型技术，不仅实现各类智能设备的互连，同时负责完成智能设备与上层监控单元的数据通信。各种现场总线所提供的以太网应用服务如表1所示［14］。

　　整个系统的通信建立在Ethernet、TCP/IP和现场总线的混合通信协议之上，通过各种新型的现场总线技术实现高速Ethernet与相对低速的现场总线的互连，以实现上层监控单元和现场智能设备的互连和互操作。系统的信息传输机制如下：当上层监控单元需要向现场设备发送信息时，它首先基于Ethernet和TCP/IP协议将信息发送给相应的新型现场总线以太网应用服务（比如PROFInet的代理机制），然后由该服务根据现场总线协议发送给相应的智能设备；现场设备向上层监控单元发送信息的过程与此相反。

　　系统中的智能设备主要用于数据的采用、控制的输出以及实现一些简单的控制算法。系统的控制功能可以安排在网络中的任意一台，或同时安排在几台计算机上完成，真正实现了控制功能的全分散和多冗余，系统可靠性大大提高，并可实现多种复杂控制算法。计算机可以利用软件设计的高度灵活性，虚拟实现多种标准的现场总线站点，并在整个系统中起到核心作用。这样可以将不同的现场总线集成在一个分布式控制系统中，从而缓解不同现场总线标准统一和互操作的压力，保护生产厂家和用户的既有投资。当用户需要扩充系统规模时，可以采用任一种类的现场总线，实现多种现场总线的系统集成。由于Ethernet便于实现与Internet的无缝连接，该系统还支持通过Internet进行远程访问。

4变电站自动化系统中多现场总线集成

4.1系统体系结构

　　变电站自动化系统是自动化和计算机、通信技术在变电站领域的应用，通常采用分层分布结构，分为过程级、间隔级和变电站级，其中过程级主要负责现场数据采集、提供I/O接口等；保护测控单元构成分布式间隔级；变电站级主要包括总控单元、公共设备、当地监控系统等，同时负责与远程调度中心交换信息［15］。

　　由于计算机、网络通信及电力测控等技术的高速发展，使得应用于变电站自动化的技术无法统一。虽然现场总线已经在变电站自动化领域有了不少成功的应用经验，但却包括了LonWorks、CAN、Profibus等多种互不兼容的现场总线标准，因此有必要集成各种现场总线系统，使其协同工作。

　　随着交换式以太网技术的发展，现场总线控制网络和基于以太网的数据通信网络逐步趋于统一，国际电工委员会制订了IEC61850变电站自动化系统标准，提出了变电站内部间隔级和过程级之间采用开放式、全分布、可互操作性的工业控制以太网络全数字通信。基于交换式以太网技术的变电站多现场总线集成自动化系统如图2所示。为了满足变电站自动化系统信息交换量较大以及对数据实时性和安全运行的要求，该集成系统采用由监控网和录波网构成的二级网络结构，监控网用来传送各种控制信息，录波网则传送电力系统故障录波信息。由于主干网采用10 Mb/s或更高带宽的全双工交换式以太网，完全可以满足网上节点多、数据流量大的需求。原有现场总线系统（如LonWorks、CAN、Profibus等）通过相应的以太网服务与主干网相连，从而实现不同现场总线系统中智能现场设备之间的信息交互。

　　交互式以太网技术的应用，不仅实现了不同种类现场总线的集成，而且提高了网络平台的开放性和可扩展性，使得整个变电站自动化系统可以满足中、低压变电站向高压、超高压变电站发展的需求。

4.2几种典型现场总线技术

4.2.1LonWorks系统的i.LON 1000

　　新一代LonWorks系统中的关键设备是i.LON 1000，它取代了传统的网关设备而成为连接LonWorks和Ethernet的桥梁。它将LonWorks报文打包，用TCP/IP协议进行封装，然后在网络上发送。当数据包传送到LonWorks网段时，TCP/IP封装被抛弃，LonWorks数据包被重新放置在网络上。从计算机网络的角度来看，i.LON 1000可以看作是一个典型的IP主机，能够将控制网和数据网无缝的连接在一起，其内置的网络服务器允许网络浏览器能够轻松的获得监控信息，如电压、电流等网络变量。i.LON 1000使得系统的安装、监视、故障诊断和维护变得更加容易，网段上各个节点之间完全连通。4.2.2Ethernet/IP

　　Ethernet/IP是一种既支持I/O又支持数据交换的开放式工业网络，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10 Mb/s和100 Mb/s以太网商用产品，便于实现大量数据的高速传输。Ethernet/IP的协议由Ethernet、TCP/IP和CIP组成，兼容CAN总线采用的DeviceNet协议，可实现CAN总线与Ethernet的信息交互。图3给出了Ethernet/IP与CAN总线相结合的应用体系结构［16］。

　4.2.3Profibus系统的PROFInet

　　PROFInet规定了Profibus和Ethernet之间的开放、透明通信，它基于标准的以太网连接介质，采用TCP/UDP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。PROFInet采用了先进的对象模型（COM/DCOM），使得整个结构清晰简洁，便于管理，且可以同时挂接传统的Profibus系统和新型的智能现场设备。传统Profibus设备可通过一个代理接口与PROFInet上面的COM对象进行通信，通过OLE自动化接口可实现COM对象之间的调用。

5结束语

　　由于各种现场总线技术的发展和相互竞争、各种计算机主流技术在工业控制领域的渗透和应用以及自动化技术发展的延续性和继承性，工业现场控制网络必将长期出现多种现场总线共存的局面。虽然以太网技术在工业自动化领域的推广应用势不可挡，应用范围也在迅速扩大，但目前不会出现以太网一统天下的局面。因此，如何较好的解决工业企业现存的不同种类现场总线之间的互操作问题，使其协同工作，对于实现工业自动化系统的信息集成具有重大的现实意义。为了保护用户的原有投资，同时提供高速以太网的高带宽数据通道，本文基于交换式以太网技术，提出了一种多现场总线集成的解决方案。该系统不仅可以很好的解决目前控制系统的全分散、全开放和多种现场总线的系统集成问题，而且通过以太网与现场总线在更底层的结合，使得控制系统体系结构更加扁平化。通过对几种典型现场总线所提供的以太网应用服务进行探讨可以看出，将本文提出的多现场总线集成方案应用于变电站自动化系统，不仅可以较好的实现LonWorks、CAN以及Profibus等现场总线的系统集成，而且符合现场总线在变电站自动化系统中的应用现状。

6参考文献

1.阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999

2.徐皑冬,王宏,杨志家.基于以太网的工业控制网络.信息与控制,2000,29(2):182~186

3.Wang Zhi,et al.Research and implement of fieldbus interOperability.Proceedings of the 3th World Congress on Intelligent Control and Automation,IEEE,2000,5(6):3605~3610

4.陈积明,王智,孙优贤.工业以太网的研究现状及展望.化工自动化及仪表,2001,28(6):1~4

5.Ding Yun,Feng Dongqin,Chu Jian.Reliability design and application fordistributed control system.In:Proceedings of International Conference on Reliability,Maintainability and Safety,Dalian,China,2001:432~438

6.Jasperneite E,Neumann P.Switched ethernet for factory communication.In:Proceedings of 8th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation,AntibesJuan les Pins,France,2001,1:205~212

7.王智等.工业实时通讯网络(现场总线)的基础理论研究与现状(上).信息与控制,2002,31(2):146~152,163

8.成功,杨佃福,李嘉.以太网技术在现场总线中的应用和前景.计算机工程,2001,27(12):1~3

9.唐鸿儒,丁伟,褚健.企业控制网络技术.工业控制计算机,2001,14(1):1~4

10.贾东耀,汪仁煌.工业控制网络结构的发展趋势.工业仪表与自动化装置，2002,(5):12~14

11.Chen Jiming,Wang Zhi,Sun Youxian.Realtime capacity analysis of ethernet in industrial application.Proceedings of the 4th WCICA 2002,3(4):2227~2230

12.赵宏.以太网交换技术.辽宁大学学报，2000，27(2)：182~186

13.吴誉,张卫东,许晓鸣.以太网与现场总线的互连方法.测控技术,2000,19(1):53~56

14.Richard H Caro.Ethernet will transform fieldbus.Hydrocarbom Processing,2000,79(6):7~9

15.Tor Skeie,Svein Johannessen,Christoph Brunner.Ethernet in substationautomation.IEEE Control System Magazine,2002:43~51

16.Brooks P.Ethernet/IP-industrial protocol.In:Proceedings of 8th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation,AntibesJuanles Pins,France,2001,2:505~514

17.Lantronix.Ethernet tutorial:Network switching,technology tutorials.http://www.lantronix.com/technology/tutorials/switching.html,1999

18.Paul Brooks.EtherNet/IP:Industrial protocol white paper.http://www.ab.com/networks/ip whitepaper.html,2001

摘自　电力系统及其自动化学报

上一篇：下一代网络的五大战略性方向

下一篇：NGN网络测试分析