视点|工业以太网的美丽与哀愁

[信息来源：MM现代制造]　　工业以太网是企业信息化的基础，这一点已得到了广泛的认同。与现有的各类现场总线相比，它更具有强大的开放性，能更方便地与管理系统进行集成。无论从工业以太网本身的技术发展程度，还是从目前的应用趋势而言，尽管各界还存在着诸多顾虑，工业以太网时代的到来已势不可挡。前方的世界很精彩　　MM:工业以太网是企业信息化的基础，自动化技术承担了更沉重的基础任务。您如何看待工业以太网在企业信息化的过程中所扮演的角色？　　陈海东先生：大量的销售数据表明,工业以太网及相关的产品设备在现今的自动化技术中正在扮演着重要的角色。随着交换网络通信技术的产生和发展,工业以太网技术正在快速地进入工业应用场合。其目前最主要的应用是作为系统级总线(例如控制器与控制器之间,或与操作员站、工程师站之间的通信总线；数据通信量大,实时确定性要求不高),这由这一层的通信总线所需的特性所决定。　　那工业以太网技术要不要进入现场级的应用呢日益复杂技术的开放性、一致性和易于使用性是用户越来越迫切的需求，以及出自削减由独立于制造商、系统范围的工程设计而引起的成本的种种考虑，推动了工业以太网技术快速进入现场级的应用。其随后的发展方向是由自动化技术发展趋势所决定的。PROFIBUS国际组织推广的工业以太网总线标准PROFINET就顺应了这一市场趋势,是IEC61158国际现场总线规范中的第十类总线标准。　　PROFINET是分布式自动化标准的现代概念；它基于以太网，简单且无需作任何改变地集成现有的现场总线系统（尤其是PROFIBUS 系统）。这对于满足从公司管理层到现场层的一致性要求是一个非常重要的方面。它的重大贡献在于保护了用户的投资，因为现有系统的部件仍可合并到PROFINET系统中去而无需进行任何更改。　　现在大多数的厂家在选择设备和系统的时候，或许还是会考虑基于设备级的总线，因为好用而且便宜，还有很多种选择，但是这并不会成为以太网进入现场的阻碍，工业以太网会很快得到广泛应用。　　Poubeau先生: 工业以太网对工业自动化而言，担负着在未来实现统一网络的重任。施耐德电气对此非常明确，将以工业以太网为基础的协同自动化解决方案作为我们的发展战略。中国以其强大的市场需求成为了施耐德电气的第二大市场。　　孙军凯先生：应当说，以太网在工业领域的应用并不是一个新的话题，以罗克韦尔自动化为例，我们1990年就发布了内置以太网端口的控制器，奠定了以太网作为企业信息层互连的基础地位（控制站级互连和企业信息集成），而今天以太网已经是公认的企业级信息集成的事实上的标准。所以说，工业以太网的发展正是伴随着工业企业信息化的要求，在IT技术迅猛发展的背景下发展起来的。基于以太网技术在工业系统信息集成方面的成功，人们对将其引入车间现场寄予了极大的期望，其实今天大家所讲的工业以太网技术是特指具有实时控制和严格互锁功能，能够提供现场设备开放连接的面向应用要求的工业以太网技术。罗克韦尔自动化一直致力于实时工业以太网技术的发展和应用，2000年，EtherNet/IP产品问世，2001年开始在全球各个行业的应用并显示出了这一技术独特的魅力，比如我们在美国百威啤酒的一条灌装线上，就有600多个节点包括I/O、变频器等通过EtherNet/IP来控制，整个集成由一家德国的OEM完成，设备在现场只用1个小时就完成了起动工作。今天，基于EtherNet/IP实现工业控制的应用已经遍及食品饮料、电力、水和污水处理、采矿、材料加工、汽车、通用机器等各个行业，来自50家制造会员单位的80多种产品涵盖了过程控制器、PLC、I/O、变频器、软启动器、视觉产品、条码扫描设备、称重设备、电力智能监控单元、过程总线FF链接设备、交换机和连接设备等。2003年，通用汽车公司宣布将EtherNet/IP作为其全球汽车制造生产控制系统的统一标准，并将于2007年1月1日前完成他们在全球60多个工厂的生产控制系统整合工作，同年国际半导体行业组织SEMI，澳大利亚采矿行业都宣布将EtherNet/IP作为其控制系统的标准。我们十分看好工业以太网技术的发展前景。　　Pfeiffer先生：诚实的讲，我对中国的市场不是十分熟悉，但是我注意到，中国有许多的机械装备制造商和众多的工厂，对于工业以太网的需求可能刚刚起步，但是潜力巨大而且发展快速。中国的厂家非常好学，应用新技术的愿望强烈，我相信工业以太网会帮助中国的企业更快地提高能力。目前标准以太网可以达到100Mb/s(Fast Ethernet),甚至1000Mb/s(Gigabit-Ethernet) 和更高的传输速率，这比所有现有的现场总线都要高得多。我们有理由利用以太网来完成工业现场的更高速的数据交换。但是，对于自动化控制来说，实时性比传输速率更为关键。在目前标准以太网中，数据传输时的到达时间不可确定，这个弱点在工业环境里对于高动态过程的控制中是不能接受的。　　奥地利贝加莱（B&R）公司以开发Ethernet Powerlink为以太网在工控行业里的实时高速应用开辟了一条新的道路。Ethernet Powerlink以标准以太网为介质，克服了现有以太网通信中实时性能不足的弱点，使工业以太网通信可以满足工控领域中即使是最苛刻的实时要求。　　梁文奎先生：以太网其实已经非常产业化了，而且几乎已经形成一个标准，以太网的控制芯片目前价格非常低，这样一个总线是最容易被取得。可以从几个角度讨论这个问题，第一，是不是被形成产业化标准，这是全球性的问题，在产业供应链上面是不是够充沛，是不是有足够的创新性一直往前驱动；第二个角度要从研发人力来看，研发人力是不是熟悉业界要推出一些什么样的标准，对于这样一个标准的推动，其他的一些编程人员是否能够掌握，能不能找到这么多的研发人员去投入来缩短研发时间，并形成多样化的解决方案。　　宋传荣先生：工业自动化行业开放系统和平台技术的发展，使产品在选择上更加灵活，软件组态功能也越来越强大。这就使每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案，所以工业自动化与网络通信技术专业化是当今工业自动化厂商或系统集成商成功的关键因素。而以太网技术以其标准统一、协议开放、执行其标准的产品性价比高，而成为工业自动化领域主流的通信解决方案之一。现场总线：该如何来爱你　　MM: 工业以太网技术已经得到了长足发展，但它在实际应用中是否会与原有的自动化系统（现场总线）产生矛盾，而无法保护用户原有的投资，这可能成为这项技术推广时遇到的大问题。您如何看待这个问题？是否有恰当的解决方案？　　陈海东先生：市场对PROFINET 的认可取决于现有的现场总线安装设备能否容易地通过PROFINET扩展。与其他类的总线不同的是，PROFINET在发展之初时就已经充分地考虑到了客户的这种需求，即在充分考虑到原有系统投资的基础上实施创新。　　到目前为止,PROFIBUS总线在市场上已销售了1000万个节点设备,超过100万个系统应用实例。INTERBUS总线在市场上则销售了650万个节点设备。目前这两个总线组织均将PROFINET作为其下一代的工业以太网的标准。也就是说1650万个节点设备用户将是PROFINET工业以太网现场总线的成功基石之一。　　集成原有现场总线系统从而保护投资。PROFINET 提供了一个在PROFINET 环境下协调现有PROFIBUS 和其他现场总线系统的模型。用户可以构造一个由现场总线和基于以太网的子系统任意组合的混合系统。由此，PROFINET已经成功地定义了从以太网向现场总线的网络转换策略，从基于现场总线的系统向PROFINET技术的全透明转换是可行的。　　Poubeau先生: 如果是用工业以太网简单地替代现有系统的原有功能是没有价值的，以太网的价值所在是它提供了更多的特性，包括在以太网上很容易传输图像、声音信息、数据信息等，用它不同的特性满足客户新的服务要求。　　现在我们清晰地看到，很多不同的总线之间是不兼容的，我想这种状况会升级到工业以太网。工业以太网也存在着不同的实现方法，这就意味着存在不兼容的可能性。未来谁会成为不同协议下的工业以太网赢家呢？　　1.那些真正开放其协议，用户很容易得到产品并应用，且容易实现的工业以太网。　　2.真正开放给第三方厂商，与其他设备容易集成，比如现场总线。　　施耐德正在向这个方向发展。现在的MODBUS已经得到了很好的应用，而MODBUS的系统可以很容易地升级到MODBUS TCP/IP。而用户并不需要对原有系统重新投资。　　我们有两种解决办法，一种是在使用MODBUS的串行连接方式，如RS485的情况下，可以提供相应的产品，非常容易地从现有的MODBUS系统更新或升级到MODBUS TCP/IP上。如果是使用了其他的网络，我们也有相应的gateway（网关）使其集成或升级到我们的以太网系统里。客户可以从产品的整个生命周期来考虑这个问题，也可以从产品升级换代的角度来考虑，总之我们会更关注针对客户的实际应用，最大程度地保护用户的投资。　　孙军凯先生：这是一个非常好也是十分重要的话题。工业以太网的发展是一个过程，还需要解决技术、应用方面的各种问题，包括国际以太网的相关标准，都仍在激烈讨论和制定过程中。自动化厂商必须考虑用户已有投资的保护和技术的兼容性问题。举个例子来说，截止到2003年，罗克韦尔自动化在全球已经安装了1000多万个工业总线节点，而我们为用户提供了相当灵活的方案去将他们的既有系统集成到我们最新的控制平台和总线体系中。今天Allen-Bradley的ControlLogix全功能集成控制器可以兼容我们1980年生产的PLC I/O。在最简单的情况下，我们只需一二个通用通信模块，无需任何的代码，无需任何特殊的网关，就可以将既有系统完全集成到新系统中。我们曾经和我们的合作伙伴一起，在连续生产的条件下，在短短数分钟内，就完成了新建和既有系统的通信集成，原有的系统几乎没有做任何的改动，而这一切在传统架构里是不可想象的，我们的用户给予了极高的评价。　　其实每种工业总线的产生和发展，都有其深刻的技术和应用驱动的背景，有其独特的应用范围和优势，从目前的用户需求来说，没有一种总线可以满足用户所有的应用需求，在可以预见的相当长一段时间，现场总线系统的应用还将是一种或者多种层次的总线组合以满足用户的应用需求。关键是，这些总线是否都遵循开放的协议标准，是否是面向未来的技术，是否已经经过各种行业应用的考验，无论怎样组合是否都能够实现透明、一致、完整的功能，能否兼容用户已有的投资。　　就罗克韦尔自动化来说，我们所遵循的是一条开放、先进、一致的路线来发展我们的现场总线技术Netlinx。DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP总线全部采用同一个应用层协议CIP（通用工业协议，Common Industrial Protocal）以及统一的封装技术，使得用户无论怎样组合，都会有自顶至底的透明通信，无论在系统任何一点接入，在有安全认证的情况下都可以浏览、诊断、组态、监控整个控制系统，这种遍及每个节点，甚至每个I/O通道的通信无需任何特殊的网关或代理设备，无需任何的代码或者路由表组态就可以完成。最近，我们在全国范围内举办的系列新用户体验型培训计划用户反馈中，用户对基于CIP的NetLinx都给予了极高的评价。　　Pfeiffer先生：我们不能盲目地认为工业以太网会完全取代现有的现场总线系统，而是要考虑怎样结合客户现有的实际需要很好的利用工业以太网的优势。例如，客户需要强调与其他网络连接层的透明性，工业以太网是最好的选择；如果客户已经有了稳定的且满足要求的系统，就不需要马上更换，也许以后再说。技术经济性和应用带来效益是很关键的。　　除此之外，在现有现场总线不能够满足客户对高速度、高实时性通信要求的情况下，Ethernet Powerlink显示出了它的强大能力。Ethernet Powerlink 以标准以太网（IEEE 802.3u）为介质，可以实现以100Mb/s 的数据实时通信，通信周期最短可达200ms，传输时滞（Jitter）可达到小于1ms，是真正具备实时性能并已投入使用的工业以太网。Ehternet Powerlink 已投入市场近3年。目前，全世界已经有超过22000个Powerlink节点在被终端用户使用，他们基于国际标准，适应性强，在技术成熟度，产品性能等方面接受住了市场的考验。为了推广Ehternet Powerlink，贝加莱（B&R）公开了这项技术，并与Lenze，Hirschmann等国际著名工控设备生产商联合组建了EPSG标准化组织（Ehternet Powerlink Standardization Group），共同开发基于Ehternet Powerlink的工业通信产品，目前已有30多家国际著名工控企业参加了这个组织。　　梁文奎先生：理想的状态是要做无缝的过度，先前的投资如何结合未来的趋势发展，各厂家都在努力想办法去填补这个空白。金远见的 Gport 产品系列就是要让串口设备IP 化，基于LINUX操作系统客户可以做二次开发，现在的产品带4个串口和一个以太口，未来我们还要做两个以太口与其他方式的一种连接，你可以想象它是一个微型的服务器，就象一台小型的PC机，用户在上面做二次开发也好，做管理也好，可以自己写一个程序放到这个盒子里面来，通过这个盒子直接操纵这个串口，跟串口设备做连接，采集到的数据可以上传到后台的服务器，直接插到数据库去，直接去沟通、去感知。实时与安全，还是心口的痛？　　MM: 实时性和安全性是工业以太网正在加强的特性，针对此方面有何进展？　　Poubeau先生:我们的系统是建立在完全开放和标准的基础之上的，所以用户可以采用所有标准的安全保护措施。我们不会自己提出一个全新的方法，那样就会给用户带来不兼容和不标准的问题。如果IEC发布了一个新的标准，我们一定会采用的。只要是开放和标准的，我们都会采用。　　现在MODBUS和IDA走到了一起，使我们在技术上有很大的改进，特别是分布式和实时性应用方面。目前我们的解决方案可以适合绝大部分的工业应用场合，但不是百分之百地解决了所有工业上的应用问题。比如运动控制等有其独特要求的应用。我们的思路很清晰，就是要为用户提供标准的和开放的解决方案。　　孙军凯先生：实时性和安全性是工业以太网技术目前最关注的问题。关于实时性的问题，EtherNet/IP首先采用创新的、效率和实时性更高的Producer/Consumer(生产者/消费者)模式来取代传统的主从Source/Destination（源/目的地）模式，在实际系统应用中显示出很大的优势。适应通用I/O控制的技术我们已经十分成熟，在目前大家都十分关注的对实时性要求最为严格的基于工业以太网的运动控制方面我们也取得了突破性的进展。ODVA已经发布了CIP扩充协议CIP Sync，我们去年就已推出了基于EtherNet/IP的运动控制演示系统，节点间的时钟同步精度达到0.1ms。至于安全性方面的问题，其实要区分Safety和Security两个领域，ODVA也发布了CIP Safety来解决工业网络的安全问题。对企业的信息安全和运行安全性方面，则需要将信息安全方面成熟的规范引入到工业应用，同时在自动化技术方面主要是采用RSSecurity Server等软件实时监控和记录全厂设备的运行、维护情况，管理版本更新和文档归档工作，同时在底层控制设备设立多层密码保护，在设计方面考虑将工控网和厂级管理网的结构优化等。Pfeiffer先生： Ethernet Powerlink能够真正满足实时通信要求。在高动态、高精度的控制环境中，Ethernet Powerlink 是目前针对高速实时通信的绝妙选择。同时，为了实现通信中的安全性，Ethernet Powerlink把在现场中的实时通信和现场与上位以及办公室环境的非实时通信分成两个域，这两个域被严格分开，在非实时通信域（TCP／IP）受到干扰时，实时通信域照常工作，这样有效阻止了外界网络对工业现场网络的干扰。同时，这两个域之间的相互通信是不受限制的。　　梁文奎先生：实际上以太网从某些角度来看一定有它的不足，比如还存在稳定度和实时性差等各方面的问题，并不是最完美的方案。但是基于以太网的应用已经越来越多了，而且还会更多。针对稳定度和实时性，有很多公司已经开始在交换机这个层次去做，我认为这是技术的发展趋势。实时性有硬件问题也有软件的问题，我们在整个核心驱动程序里面做了一个大的调试。实时性的问题也可能是网络堵塞，那么我会建议用二层或三层交换器去解决这个问题，我们现在在做成套的解决方案。你做你的，我挑我的？　　MM: 您认为以国内企业目前的状况，应用工业以太网的条件是否成熟？企业在应用工业以太网的过程中应注意哪些问题？企业如何才能做到投入少，见效快？　　陈海东先生：目前，工业以太网技术已经在系统级的通信总线上得到大量的应用，现场级的应用则较少。整个制造业企业的网络是分层结构的，在最底层有用于传感器执行器的总线标准，如：ASi；设备级有设备级的总线标准，PROFIBUS、 INTERBUS等；控制级，系统级的通信总线已普遍采用工业以太网的产品。　　PROFINET已经不再是一个总线概念，许多工控厂商可开始提供符合PROFINET接口产品，已经可以搭建成一个完整的，基于现场级应用的工业以太网现场总线系统。但是目前离PROFINET的大规模运用还需时日，比如可供用户选择的基于PROFINET以太网接口的I/O、以太网接口的设备，第三方智能设备还不完善等。但是大量研发力量的投入，相信PROFINET的普及会很快。　　客户在今天直接选择工业以太网现场总线应用时可能会面对的一个窘境是产品选择不多，另外，PROFINET的硬件单位成本上比现有的总线产品要高（由于没有形成大规模的生产，芯片的单位成本会比较贵一些）。　　企业要做到投入少，见效快，我想有两点：第一，选择目前成熟的现场总线方案，好处是：用大量的产品线可供选择；有大量的证明过的应用实例；可将目前的现场总线段在工业以太网总线上透明集成。PROFINET已经成功地定义了从以太网向现场总线的网络转换策略，从基于现场总线的系统向PROFINET技术的全透明转换是可行的。第二种方式：从长远来看，以太网技术的快速发展所带来的利益比目前的任何一种现场总线标准的发展空间更大，一些目前的现场总线标准所碰到的技术瓶颈在工业以太网层面上就不再是问题。从长期的投资来看，目前直接选择工业以太网作为其现场级应用的现场总线标准并不会吃亏，即使其单位硬件或解决方案成本要高。这就象当年的PROFIBUS推向市场初期与传统的控制方式相比一样，总线产品的方案要比传统的产品方案要贵，但从系统的设计、安装、调试、维护等整个生产周期来看，现场总线无疑要优越。对工业以太网我们持同样的观点。　　孙军凯先生：用户在上项目的时候要保持一个理性的投资，不能只看到眼前的形式，要看到未来的技术发展趋势，选择成熟性和先进性兼备的平台。不能只看表面的技术规格，更要了解实际应用的约定和实际性能；不能只看某种具体网络，而要看整个网络体系；不能只看网络，也要关注控制系统设计和界面系统（HMI）是否有很好的集成性和开放性；不能只关注底层网络通信，更要关心整个企业范围内数据的交换机制。在全面、实际评估不同系统的性能、接口等各方面特点的基础上完成架构设计，再分步骤实施，并将这一要求明确、清晰地传达给各个工艺系统的供应商，这样就可以保证今日投资、明日保证。在这方面，一些跨国经营的大企业的做法就值得借鉴，即详细评估、整体设计、分步实施、强调集成、着眼未来。罗克韦尔自动化基于Logix、NetLinx、ViewAnyware和FactoryTalk构建的开放式集成架构，为未来企业的信息化架构提供了一个范例。我们有充足的信心，以今日产品、明日技术，配合各方合作伙伴，为国内工业企业信息化工作做出更大贡献。　　Pfeiffer先生：工业以太网是工业通信发展不可置疑的趋势，它融合了IT通信和传统的工业通信。在IT界，以太网已经是世界公认的标准，并在全世界得到了非常广泛的应用，上千家的企业已经或正在开发研制基于以太网的相关产品，从而使得生产成本不断降低，客户的投资也能得到保障。随着越来越多的公司加入EPSG标准化组织，并开发和生产基于Ethernet Powerlink的产品，客户可以有越来越多的选择，从而降低生产成本，同时极大地提高了在工业通信方面的速度和精度。　　EPSG作为一个国际性公开的标准化组织，我们也欢迎中国的工控企业也加入到这个组织中来，共同开发研制基于Ethernet Powerlink的工控产品。　　梁文奎先生：是的。当初我们的产品从一个很简单的概念，重新整理，从串口转到以太网，因为它是面向工控的。这也要从整个产业的角度来看，国内在过去十几年里单芯片大量应用在传感器、控制器等各方面，这样的设备一定需要串口来与以太网连接。控制设备需要被IP化，但是把它一步到位IP化是不容易的，需要一个过渡。 　　宋传荣先生：中国综合国力的提高必然带动工业自动化程度的提高，全世界范围内的工业以太网技术的飞速发展趋势也必然带动中国工业以太网市场的跟进，目前国内市场的工业以太网产品以欧美发达国家的产品为主，相比商业以太网产品的价格来讲是昂贵的。近三年来，我们开始大力推动国内工业以太网产品和技术解决方案的发展，借助近10年来在电信和电力行业广泛使用的“工业光数据网络通信”产品的成熟技术，很迅捷地转移到工业以太网产品技术上来，又由于本土设计和生产，使国产工业以太网产品保持了很好的性能价格比。　　作为企业用户需要正视工业自动化网络通信中的技术隐患。因为工业自动化现场发生问题引发的产业经济损失根本难以和办公室网络通信不畅耽误的工作同日而语。要做到投入少见效快，当然要选用性价比最优的产品了。