工业以太网与实时以太网协议剖析

※发布时间:2020-6-23 9:06:08   ※发布作者:habao   ※出自何处: 

  随着计算机、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,因此,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综合自动化网络平台,建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。

  工业控制网络作为一种特殊的网络,直接面向生产过程,肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务,并产生或引发物质或能量的运动和转换,因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场适应性、总线供电等特殊要求和特点。

  在这种背景下,20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技术,以全数字的通信代替4~20mA电流的模拟传输方式,使得控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息,而且能够传输现场仪表的大量非控制信息,使得工业企业的管理控制一体化成为可能。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。

  (1)现有的现场总线标准过多,仅国际标准IEC61158就包含了8个类型,未能统一到单一标准上来;

  什么是工业以太网?一般来讲,工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但在产品设计时,在材质的选用、产品的强度和适用性方面能满足工业现场的需要。即满足以下要求:

  包括机械适应性(如耐振动、耐冲击)、气候适应性(工作温度要求为-40~+85℃,至少为-20~+70℃,并要耐腐蚀、防尘、防水)、电磁适应性或电磁兼容性EMC应符合EN 50081-2、EN 50082-2标准。

  为了解决在不间断的工业应用领域,在极端条件下网络也能稳定地工作的问题,一些公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品,安装在标淮DIN导轨上,并有冗余电源供电,接插件采用牢固的DB-9结构。另外一些公司还专门开发和产生了用于工业控制现场的加固型连接件(如加固的RJ45接头、具有加固RJ45接头的工业以太网交换机、加固型光纤转换器/中继器等),可以用于工业以太网变送器、执行机构等。工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别如附表所示。

  众所周知,以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制,而具有通信不确定性的特点,并一度成为它应用于现场总线的主要障碍。因此,仅仅通过采取一些措施,提高以太网设备应用的可靠性和适应性,工业以太网仍然没有能够解决通信实时性问题。

  为此,世界各大公司开始研究基于以太网的通信确定性和实时性问题,并取得了一些重要,其中有些已通过了工业现场的实际应用验证。

  2003年5月,IEC/SC65C成立了WG11工作组,旨在适应实时以太网市场应用需求,制定实时以太网应用行规国际标准。根据IEC/SC65C/WG11定义,所谓实时以太网RTE(Real-time Ethernet),是指不改变ISO/IEC8802-3的通信特征、相关网络组件或IEC1588的总体行为,但可以在一定程度上进行修改,使之满足实时行为:

  为此,实时以太网标准首先需要解决实时通信问题,同时,还需要定义应用层的服务与协议规范,以解决系统之间的信息互通问题。

  标准制定过程中,IEC/SC65C/WG11收到了包括中国EPA在内的6个新的实时以太网提案,这些提案均具有一定的特色。最后,在经过几次的认真讨论,并基于IEC/SC65C于2002年所作的“2007年前不再向IEC61158标准中增加新的类型”的决定,工作组一致同意将新的实时以太网协议作为公共可用规范PAS(Publicly Available Specification)予以发布,2007年IEC61158修订时,再考虑将这些PAS引入IEC61158。

  HSE是现场总线基金会在据弃了原有高速总线之后的新作。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。

  HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP,在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范,并通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到HSE网段上,HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能,它的网桥功能能够用来连接多个H1总线设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信,使操作数据能传送到远程的现场设备,并接收来自现场设备的数据信息,实现和报表功能。和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。司马南近况

  

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