摘  要： 對工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展歷程和特點做了介紹，重點分析了工業(yè)以太網(wǎng)所面臨的問題和解決方法，描述了運動控制網(wǎng)絡的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，探討了基于嵌入式Internet技術(shù)的運動網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的一些新思想。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)網(wǎng)絡  工業(yè)以太網(wǎng)  運動控制  嵌入式Internet

　　網(wǎng)絡技術(shù)無疑是21世紀影響人類生活形態(tài)、甚至改變公司經(jīng)營決策的一項最重要技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化領(lǐng)域也經(jīng)歷了一場由組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)到現(xiàn)在剛剛興起的工業(yè)以太網(wǎng)控制的深層次變革?，F(xiàn)在，工業(yè)自動化領(lǐng)域的現(xiàn)狀是集散控制系統(tǒng)DCS仍然在許多行業(yè)有著廣泛的應用；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS已逐漸被大家認可，并以每年30%的增長率快速發(fā)展；而工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)則剛剛興起，正處于試用階段，并有望解決運動控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡實時性和確定性的要求，實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡控制標準的最終統(tǒng)一。
1  工業(yè)網(wǎng)絡
1.1 工業(yè)網(wǎng)絡的特點
　　網(wǎng)絡技術(shù)的產(chǎn)生對工業(yè)控制來說有以下優(yōu)點：(1)安裝布線方便；(2)模塊化；(3)易于診斷；(4)自我建構(gòu)；(5)企業(yè)化管理。雖然工業(yè)控制網(wǎng)絡有這些優(yōu)點，但實際上工業(yè)控制網(wǎng)絡的進展卻遠不及商業(yè)網(wǎng)絡，主要原因有二：(1)工業(yè)網(wǎng)絡標準太多。各廠商從自身利益考慮會極力推行自己的網(wǎng)絡標準。不同的網(wǎng)絡協(xié)議針對特定的應用領(lǐng)域，因而具有各自的特點，各有其存在的環(huán)境和價值。而且新的協(xié)議還在不斷產(chǎn)生，這樣用戶往往無所適從，擔心一旦選用了一種協(xié)議后，會被某些廠商鉗制。(2)網(wǎng)絡化所必須增加的成本對用戶來講往往是一項沉重的負擔。所以直到現(xiàn)在，具有網(wǎng)絡接口的元件還很少，運動控制器也是如此。
1.2 工業(yè)網(wǎng)絡的定義
　　工業(yè)網(wǎng)絡是指安裝在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。具體有以下三種類型：
　　(1)專用、封閉型工業(yè)網(wǎng)絡：該網(wǎng)絡規(guī)范是由各公司自行研制，往往是針對某一特定應用領(lǐng)域而設，效率也是最高。但在相互連接時就顯得各項指標參差不齊，推廣與維護都難以協(xié)調(diào)。專用型工業(yè)網(wǎng)絡有三個發(fā)展方向：①走向封閉系統(tǒng)，以保證市場占有率。②走向開放型，使它成為標準。③設計專用的Gateway與開放型網(wǎng)絡連接。
　　(2)開放型工業(yè)網(wǎng)絡：除了一些較簡單的標準是無條件開放外，大部分是有條件開放，或僅對成員開放。生產(chǎn)商必須成為該組織的成員，產(chǎn)品需經(jīng)過該組織的測試、認證，方可在該工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中使用。
　　(3)標準工業(yè)網(wǎng)絡：符合國際標準IEC61158、IEC62026、ISO11519或歐洲標準EN50170的工業(yè)網(wǎng)絡，它們都會遵循ISO/OSI7層參考模型。工業(yè)網(wǎng)絡大都只使用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。一般工業(yè)網(wǎng)絡的制定是根據(jù)現(xiàn)有的通信界面，或是自己設計通信IC，然后再依據(jù)應用領(lǐng)域設定數(shù)據(jù)傳輸格式。例如，DeviceNet的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層是以CANbus為基礎，再增加適用于一般I/O點應用的應用層規(guī)范。
　　目前IEC61158認可的八種工業(yè)現(xiàn)場總線標準分別是：Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P-NET、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。
1.3 工業(yè)網(wǎng)絡的架構(gòu)
　　現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡可以根據(jù)其應用場合的不同分為以下幾種[1]：
　　(1)SensorBus：低階網(wǎng)絡，通常用來連接低階的傳感器、執(zhí)行器等現(xiàn)場設備，傳輸數(shù)據(jù)量最少，例如AS-i、Interbus-S。
　　(2)DeviceBus：它界定的范圍最廣，只要是能對網(wǎng)絡化設備提供通信或診斷功能的都屬于這種類型。例如CANOpen、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP。
　　(3)FieldBus：通常是架構(gòu)在Devicebus之上，用來傳輸大批量的數(shù)據(jù)，但傳輸速度較慢。有的也提供一些設備終端控制的功能，例如WorldFIP、Foundation Fieldbus、Profibus-PA。
　　(4)ControlBus：提供高階控制設備(例如PLC，CNC)間的對等網(wǎng)絡通信(Peer-to-Peer)，例如ControlNet。
　　(5)EnterpriseNet：企業(yè)的骨干網(wǎng)絡，一般為Ethernet TCP/IP。
　　這五類網(wǎng)絡的連接方式是，先將同一類型的網(wǎng)絡串接起來，然后再把不同類型的網(wǎng)絡通過Gateway連接起來。
1.4 工業(yè)網(wǎng)絡規(guī)范
　　目前工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展可謂是百家爭鳴，各大公司都推出了相應的現(xiàn)場總線標準，并力求占有更大的市場份額。這些標準都有各自的優(yōu)勢，也都各自在不同的應用領(lǐng)域占有一定的市場。為了使大家對各種工業(yè)現(xiàn)場總線有一個清晰的認識，這里對市場上常用的工業(yè)控制現(xiàn)場總線的規(guī)格性能進行了匯總，如表1所示。

2  工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展方向——工業(yè)以太網(wǎng)
2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生
　　以太網(wǎng)(Ethernet)的成功是有目共睹的，由于它具有高速與便宜的優(yōu)點以及建構(gòu)在TCP/UDP/IP下的各種應用，足以彌補現(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)絡的不足，這一點從表2中以太網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線的對比就可以看出[2]。以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領(lǐng)域是控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，但大家更期待的是一個統(tǒng)一、開放的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范。但事實并非如此，IEC61158認可的八種工業(yè)網(wǎng)絡標準作為工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的結(jié)果，形成了四種不同的工業(yè)以太網(wǎng)標準協(xié)議，分別為：

　　(1)Foundation Fieldbus和WorldFIP 向Foundation Fieldbus HSE發(fā)展。
　　(2)ControlNet和DeviceNet向Ethernet/IP發(fā)展。
　　(3)Interbus和Modbus向IDA發(fā)展。
　　(4)Profibus向ProfiNet發(fā)展。
　　這四種工業(yè)以太網(wǎng)標準，都有其支持廠商和相應產(chǎn)品。一些國際組織也正積極推動以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領(lǐng)域：IEEE正著手制定工業(yè)網(wǎng)絡與以太網(wǎng)通信的新標準，該標準將使網(wǎng)絡能看到“對象”。但近期，工業(yè)以太網(wǎng)的標準還難以統(tǒng)一，仍然會像現(xiàn)場總線一樣在市場上出現(xiàn)多標準共存的局面。
2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的內(nèi)涵
　　所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設計時又能在實時性、材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度以及適用性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網(wǎng)并不是要將所有的工業(yè)網(wǎng)絡全部改成以太網(wǎng)，而是要將原來工業(yè)網(wǎng)絡應用層定義的數(shù)據(jù)信息封包在以太網(wǎng)的網(wǎng)絡層與傳輸層內(nèi)。也就是說，工業(yè)以太網(wǎng)的重點在于TCP/UDP/IP，而不在以太網(wǎng)的物理層。工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范主要規(guī)定了三件事情。
　　(1)一套共用的應用層標準。這樣，數(shù)據(jù)封裝的定義與解釋才有了基準。
　　(2)適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡設備。許多場合需要工業(yè)規(guī)格的連接器，原來以太網(wǎng)的RJ45接頭不適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。
　　(3)特殊用途的通信模式。有些應用，特別是運動控制必須要求實時性和確定性。本質(zhì)上，以太網(wǎng)并不是一個實時性網(wǎng)絡，它只能保證數(shù)據(jù)可以到達，但不能保證到達的時間。
2.3 工業(yè)以太網(wǎng)面臨的技術(shù)問題與解決辦法
　　以太網(wǎng)在商業(yè)環(huán)境的應用非常成功，但在工業(yè)環(huán)境卻面臨著一些技術(shù)問題。
　　(1)以太網(wǎng)的非實時性：以太網(wǎng)技術(shù)采用CSMA/CD帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制，是一種非確定性的通信調(diào)度方式。網(wǎng)絡每個節(jié)點要通過競爭來取得信息的發(fā)送權(quán)，當網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸不能滿足工業(yè)控制的實時要求。解決此問題的方法就是避免碰撞發(fā)生。通過提高以太網(wǎng)的速度(例如提高到1Gbps)，雖然這樣也無法避免碰撞，但是可以降低碰撞機率。另一種方法是為實時性要求較高的設備保留固定網(wǎng)絡頻寬(或固定服務時間)。最近，網(wǎng)絡交換機技術(shù)的進步，已經(jīng)可以將以太網(wǎng)由對等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾切谓Y(jié)構(gòu)。因為對等網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點都可以任意地傳送數(shù)據(jù)，碰撞機率當然很高。但在星形結(jié)構(gòu)下，每個節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)都需先經(jīng)交換機統(tǒng)籌管理。這樣，實時性就比較容易實現(xiàn)。
　　(2)無法實現(xiàn)異質(zhì)平臺整合(Interoperability)：因為以太網(wǎng)只定義了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，在當今標準林立的環(huán)境下，跨平臺的數(shù)據(jù)交換是無法實現(xiàn)的。
　　(3)無法滿足工業(yè)環(huán)境要求：商用以太網(wǎng)所用的接頭、集線器、交換機和電纜等設備都是為辦公環(huán)境而設計的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應性要求，如超高或超低的工作溫度，大馬達或大導體產(chǎn)生的強電磁噪聲等，因此不能直接應用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。
　　針對以太網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境所面臨的一些問題，許多現(xiàn)場總線組織和國際知名公司采用了多種方法來對以太網(wǎng)進行改進，以使其能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場應用的要求。如HSE、Ethernet/IP和Modbus/TCP采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結(jié)合的方法；TEMPRA、CSMA/DCR和GIT-CSMA/CD采用直接修改以太網(wǎng)MAC的方法；Ethrenet Powerlink和Profinet采用基于時間槽的分時調(diào)度方式等。這些方法可有效地解決了商用以太網(wǎng)應用于工業(yè)現(xiàn)場所面臨的一些技術(shù)難題，并已有了一定的市場應用。但以太網(wǎng)能否在將來完全替代現(xiàn)場總線，實現(xiàn)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的大統(tǒng)一，目前還難下定論。
3  運動控制網(wǎng)絡
3.1 運動網(wǎng)絡定義
　　國內(nèi)外現(xiàn)有的運動控制產(chǎn)品主要包括四種類型：基于PC機的運動控制器、PLC型運動控制器、“PC機+運動控制卡”型運動控制器和基于嵌入式計算的運動控制器。其中基于嵌入式計算的運動控制器是今后運動控制器發(fā)展的方向，它使用了一個嵌入式計算機系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機，而且它通過運動網(wǎng)絡(Motion Network)實現(xiàn)了運動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化控制，是今后運動控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。所謂運動網(wǎng)絡是指建構(gòu)在CNC控制器與多軸馬達驅(qū)動器之間，能夠?qū)崟r、同步地傳送運動控制指令和接收運動狀態(tài)的網(wǎng)絡系統(tǒng)。它不僅包含物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的定義，也必須定義屬于應用層的運動控制軟件界面，這樣才能實現(xiàn)網(wǎng)絡中強調(diào)的異質(zhì)平臺整合。
3.2 運動網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢
　　SERCOS(Serial Real-time Communication System)是近十年來運動網(wǎng)絡最主要的規(guī)范。它用光纖連接CNC與多軸伺服馬達驅(qū)動器，采取固定周期的方式將運動控制指令(通常是位置命令)由CNC傳給各軸，傳輸速度為16Mbps，通信協(xié)議是HDLC。近年來已經(jīng)有一些大公司著手制定基于以太網(wǎng)和Firewire(IEEE1394)的運動網(wǎng)絡，這兩種規(guī)格都提供了開放式的軟硬件解決方案，而且性能、可靠性與價格都能夠得到保證。Firewire運動網(wǎng)絡也提出了一種運動系統(tǒng)的新思維，稱作“Soft-motion”。它是將原本屬于CNC負責的軌跡規(guī)劃工作，分散到各個軸的智能型驅(qū)動器上。當然，這種能力有賴于驅(qū)動器之間的高速通信能力。SERCOS提出的網(wǎng)絡化閉環(huán)回路控制觀念，在高速網(wǎng)絡的環(huán)境下更容易實現(xiàn)。SynqNet是以以太網(wǎng)為基礎的運動網(wǎng)絡，它可以同步連接32個軸。SynqNet的傳輸方式也由以太網(wǎng)的半雙工改為全雙工，網(wǎng)絡拓撲也由對等網(wǎng)絡改為環(huán)形。SERCOS在第三代版本中也作了大幅改進，它除了在網(wǎng)絡的同步性與實時性方面有所加強外，也在應用層制定了相應的參數(shù)標準。
3.3 PROFIdrive
　　PROFIdrive是PROFIBUS為驅(qū)動器應用制定的網(wǎng)絡規(guī)范。它基于PROFIBUS版本DP-V2，特別側(cè)重于網(wǎng)絡的實時控制[2]：
　　(1)Slave-to-Slave通信：Slave端可以用廣播的方式彼此通信，而不再經(jīng)由Master端轉(zhuǎn)接。這種方式允許Slave端直接從另一個Slave端讀取數(shù)據(jù)。
　　(2)同步傳輸(Isochronous)：這讓Master端與Slave端的時序同步和運動軌跡的精度不因彼此時序的偏差而降低。
　　PROFIdrive為運動網(wǎng)絡提供了五種應用模式：
　　(1)Standard Drive(class1)：通過PROFIBUS下達驅(qū)動器的運動控制指令(速度命令)，閉環(huán)回路控制由驅(qū)動器執(zhí)行。
　　(2)Standard Drive with Technological Function(class2)：主控制器將一個控制主程序(Process)分割為幾個子程序，然后交給Slave端執(zhí)行。因為子程序之間通常都會互相調(diào)用，所以這種分散式控制系統(tǒng)著重Slave端的交互通信能力。
　　(3)Positioning Drive(class3)：整合一個額外的位置回路來增加應用領(lǐng)域。

　　 (4)Central Motion Control(class4，5)：運動系統(tǒng)(驅(qū)動器)的閉環(huán)回路控制是經(jīng)由PROFIBUS在CNC端進行。這種架構(gòu)特別適用于線馬達的復雜應用。
　　(5)Distributed Automation by Clocked Process or Electronic Shafts(class6)：適用于需要Slave端通信與時序同步功能的場合。
3.4 基于嵌入式Internet的網(wǎng)絡系統(tǒng)設計
　　嵌入式Internet技術(shù)是一種設備接入技術(shù)或異種網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)，主要解決如何通過Web和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)從不同子網(wǎng)、不同物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設備和異類子網(wǎng)進行監(jiān)控、診斷、管理及維護等操作，使用戶對接入到Internet上的各種設備或其他類型的子網(wǎng)具有遠程監(jiān)控、診斷和管理的能力[3]。
　　嵌入式系統(tǒng)由于其自身硬件資源有限，不同于通用計算機系統(tǒng)，因此由通用計算機操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)的存儲器管理、設備管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信等功能模塊不可能在嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核中全部實現(xiàn)。
傳統(tǒng)的運動控制器基本上沒有考慮網(wǎng)絡通信的問題。但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡通信已經(jīng)是運動控制系統(tǒng)設計所必須考慮的問題。目前發(fā)展的趨勢是利用嵌入式Internet技術(shù)來解決運動控制器的網(wǎng)絡通信問題?？梢哉f嵌入式Internet技術(shù)是嵌入式計算機系統(tǒng)與Internet技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物，它的誕生是對Internet技術(shù)的一個重要補充。
4  結(jié)  論
　　本文系統(tǒng)地概述了工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，對比分析了以太網(wǎng)和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線之間的異同，深入研究了以太網(wǎng)在工業(yè)控制應用中存在的技術(shù)問題及解決方法，并詳細敘述了工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和成果，最后對運動控制網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀，特別是基于嵌入式Internet技術(shù)的運動控制網(wǎng)絡設計新理念進行了研究分析。由此指出，工業(yè)以太網(wǎng)適應了工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點和發(fā)展趨勢，尤其是在解決運動控制系統(tǒng)要求的實時性與確定性方面有著不可替代的優(yōu)勢。因此，工業(yè)以太網(wǎng)在實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡標準統(tǒng)一、推動網(wǎng)絡控制發(fā)展和應用推廣方面必將發(fā)揮重要的作用。
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