吉明鵬：寶鋼集團梅山鋼鐵股份有限公司

    1  概述

    工業以太網（Industrial Ethernet）是指應用于工業控制系統中的以太網技術，推動工業以太網技術發展最直接的原因主要有兩方面：一方面是計算機控制系統在不同層次間傳送的信息已變得越來越復雜，對工業網絡的開放性、互連性、帶寬等方面提出了更高的要求；另一方面是以“全數字化特性”著稱的現場總線技術至今還沒有統一的標準，還無法實現工業企業綜合自動化系統中自上（如信息管理層、控制層）而下（如現場設備層）真正透明的信息互訪和集成。

    EtherNet/IP是一種開放的工業網絡標準，充分的利用了現有的商用以太網的技術、芯片以及物理介質。在梅山鋼鐵公司2#高爐控制系統中，EtherNet/IP就得到了充分的應用。

    梅鋼2#高爐自動控制系統分為槽下系統、爐頂系統、熱風爐系統及高爐本體系統，整個系統采用4套ControlLogix5555冗余系統，考慮到距離遠、節點多、抗干擾等因素，控制層采用了Control Net網絡類型，抗干擾性好，網絡通道冗余，保證可靠通訊。網絡結構為總線型主、子網結構，既減少了主網的通訊量，保證了人機界面的數據顯示，又有利于子網快速的現場數據采集。圖1為整個系統的結構圖。HMI軟件采用羅克韋爾的RSView SE軟件，RSView SE是一種用于管理級監視和控制應用系統的HMI軟件，它具有分布式和可升級的架構，支持分布式服務器/多用途的應用系統。本系統采用冗余服務器＋客戶端的結構，各個操作員站與服務器之間采用了冗余的工業以太網結構。

    2  EtherNet/IP的協議

    EtherNet/IP同時支持隱式報文（實時I/O控制數據）和顯式報文（信息交換）。EtherNet/IP作為一種開放的網絡，它使用了一系列現有的成熟技術和標準：IEEE802.3物理層和數據鏈路層標準；以太網TCP/IP協議（傳輸控制協議/網際協議）和工業以太網標準；利用CIP協議進行實時I/O控制和點對點的信息交換。

    同基于CIP協議的DeviceNet和ControlNet網絡一樣，EtherNet/IP網絡也采用了生產者/消費者網絡通訊模式，隨著以太網交換技術和全雙工數據傳輸方式的應用，以太網上的數據沖突將明顯減少，從而使EtherNet/IP網絡的性能得到了顯著的提高。

    3  EtherNet/IP用于工業現場的關鍵技術

    3.1 工業以太網通信的實時性

    為了滿足工業過程控制技術，工業以太網必須具有很高的實時性。但是，長期以來，Ethernet通信響應的“不確定性”是它在工業現場設備中應用的致命弱點和主要障礙之一。

    眾所周知，以太網采用沖突檢測載波監聽多點訪問CSMA/CD機制解決通訊介質層的競爭，其工作原理是：當站點欲傳輸數據時，首先偵聽電纜；如果鏈路正被其他站點使用，該站點就等到鏈路空閑為止，否則就立即傳輸。如果兩個或多個站點同時在空閑的鏈路上開始傳輸，就發生沖突；于是所有沖突站點終止傳輸，運行二進制后退算法，等待一個隨機的時間后，再重復上述過程。由此可見，以太網本質上的確是不確定性的。這里的“不確定”是指數據傳輸的響應和時延的“不可預測和再現”。

    但隨著以太網帶寬的迅速增加（10/100/1000Mbps），沖突機率大大減小，加之相關技術的應用，數據傳輸的實時性不斷提高，也使以太網逐漸趨于確定性。

    在工業以太網中，實現實時性的機制主要包括如下幾個方面：

    (1)采用交換式集線器；

    (2)使用全雙工（Full-Duplex）通信模式；

    (3)采用虛擬局域網（VLAN）技術；

    (4)質量服務（Qos）。

圖 1 高爐自動控制系統機構圖

    3.2 工業以太網的服務質量（Qos）

    IP Qos是指IP的服務質量（Quality of Service），也是指IP數據通過網絡時的性能。它的目的就是向用戶提供端到端的服務質量保證。它是一套度量指標，包括業務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。

    Qos是網絡的一種安全機制。在正常情況下并不需要Qos，但是當出現精心設計的網絡也能造成性能影響的事件時就十分必要。在工業以太網中采用Qos技術，可以為工業控制數據的實時通信提供一種保障機制，當網絡過載或擁塞時，Qos能夠確保控制數據傳輸不受延遲和丟棄，同時保證網絡的高效運行。

    擁有Qos的網絡是一種職能網絡，它可以區分實時－非實時數據。在工業以太網中，可以使用Qos識別來自控制層的擁有較高優先級的采樣數據和控制數據，優先得到處理并轉發，而其它擁有較低優先級的數據，如管理層的應用類通信，則相對被延后。職能網絡還有能力制止對網絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現場控制單元和監控單元終端等，這對于工業以太網的完全性提升有重要作用。

    3.3 工業以太網的網絡生存性

    網絡生存性，是指以太網應用于工業現場控制時必須具備較強的網絡可用性，即任何一個系統組件發生故障，不管它是硬件還是軟件，都會導致操作系統、網絡、控制器和應用程序甚至整個系統的癱瘓，則說明該系統的網絡生存能力非常弱。因此，為了使網絡正常運行時間最大化，需要一個可靠的技術來保證在網絡維護和改進時系統不發生中斷。

    工業以太網的生存性或高可用性包括以下幾個方面的內容。

    (1)可靠性

    在基于以太網的控制系統中，網絡成了相關裝置的核心，從I/O功能模塊到控制器中的任何硬件都是網絡的一部分。網絡硬件把內部系統總線和外部世界連成一體，同時網絡軟件驅動程序為程序的應用提供必要的邏輯通道。系統和網絡的結合使得可靠性成了自動化設備制造商的設計重點。

    (2)可恢復性

    當以太網系統中任一設備或網段發生故障而不能正常工作時，系統能依靠事先設計的自動恢復程序將斷開的網絡連接重點鏈接起來，并將故障進行隔離，已使任一局部故障不會影響整個系統的正常運行，也不會影響生產裝置的正常生產。同時，系統能自動定位故障，以使故障能夠得到及時修復。

    (3)可管理性

    可管理性和可維護性也是高可用性系統最受關注的焦點之一。通過對系統和網絡的在線管理，可以及時的發現緊急情況，并使得故障能夠得到及時的處理。可管理性一般包括性能管理、配置管理、變化管理等過程。

    3.4 工業以太網的網絡安全

    工業以太網的應用不但可以降低系統的建設和維護成本，還可實現工廠自上而下更緊密的集成，并有利于更大范圍的信息共享和企業綜合管理；但同時也帶來了網絡安全方面的隱患。以太網和TCP/IP的優勢在于在商業網絡的廣泛應用以及良好的開放性，可是與傳統的專業工業網絡相比，也更容易受到自身技術缺點和人為的攻擊。對于工業以太網，采取的基本安全技術主要有三個方面：

    (1)加密技術

    (2)鑒別交換技術

    (3)訪問控制技術

    4  總結

    在梅鋼2#高爐控制系統中，EtherNet/IP的可確定性，實時性，網絡安全性得到了充分的應用。該自動控制系統自2004年3月投入使用以來，經過2年多的應用實踐，系統運行可靠，它的可維護性和可擴展性極大地方便了操作人員對整個系統的監控，工程師的維護工作，大大減少了故障停機時間，提高了生產率。