摘  要： 對工業控制網絡的發展歷程和特點做了介紹，重點分析了工業以太網所面臨的問題和解決方法，描述了運動控制網絡的發展和研究現狀，探討了基于嵌入式Internet技術的運動網絡系統設計的一些新思想。
關鍵詞： 工業網絡  工業以太網  運動控制  嵌入式Internet

　　網絡技術無疑是21世紀影響人類生活形態、甚至改變公司經營決策的一項最重要技術。隨著信息技術的發展，自動化領域也經歷了一場由組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統(DCS)、現場總線控制系統(FCS)到現在剛剛興起的工業以太網控制的深層次變革。現在，工業自動化領域的現狀是集散控制系統DCS仍然在許多行業有著廣泛的應用；現場總線控制系統FCS已逐漸被大家認可，并以每年30%的增長率快速發展；而工業以太網控制系統則剛剛興起，正處于試用階段，并有望解決運動控制系統對網絡實時性和確定性的要求，實現工業網絡控制標準的最終統一。
1  工業網絡
1.1 工業網絡的特點
　　網絡技術的產生對工業控制來說有以下優點：(1)安裝布線方便；(2)模塊化；(3)易于診斷；(4)自我建構；(5)企業化管理。雖然工業控制網絡有這些優點，但實際上工業控制網絡的進展卻遠不及商業網絡，主要原因有二：(1)工業網絡標準太多。各廠商從自身利益考慮會極力推行自己的網絡標準。不同的網絡協議針對特定的應用領域，因而具有各自的特點，各有其存在的環境和價值。而且新的協議還在不斷產生，這樣用戶往往無所適從，擔心一旦選用了一種協議后，會被某些廠商鉗制。(2)網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。所以直到現在，具有網絡接口的元件還很少，運動控制器也是如此。
1.2 工業網絡的定義
　　工業網絡是指安裝在工業生產環境中的一種全數字化、雙向、多站的通信系統。具體有以下三種類型：
　　(1)專用、封閉型工業網絡：該網絡規范是由各公司自行研制，往往是針對某一特定應用領域而設，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調。專用型工業網絡有三個發展方向：①走向封閉系統，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與開放型網絡連接。
　　(2)開放型工業網絡：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。生產商必須成為該組織的成員，產品需經過該組織的測試、認證，方可在該工業網絡系統中使用。
　　(3)標準工業網絡：符合國際標準IEC61158、IEC62026、ISO11519或歐洲標準EN50170的工業網絡，它們都會遵循ISO/OSI7層參考模型。工業網絡大都只使用物理層、數據鏈路層和應用層。一般工業網絡的制定是根據現有的通信界面，或是自己設計通信IC，然后再依據應用領域設定數據傳輸格式。例如，DeviceNet的物理層與數據鏈路層是以CANbus為基礎，再增加適用于一般I/O點應用的應用層規范。
　　目前IEC61158認可的八種工業現場總線標準分別是：Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P-NET、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。
1.3 工業網絡的架構
　　現有的工業控制網絡可以根據其應用場合的不同分為以下幾種[1]：
　　(1)SensorBus：低階網絡，通常用來連接低階的傳感器、執行器等現場設備，傳輸數據量最少，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：通常是架構在Devicebus之上，用來傳輸大批量的數據，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)間的對等網絡通信(Peer-to-Peer)，例如ControlNet。
　　(5)EnterpriseNet：企業的骨干網絡，一般為Ethernet TCP/IP。
　　這五類網絡的連接方式是，先將同一類型的網絡串接起來，然后再把不同類型的網絡通過Gateway連接起來。
1.4 工業網絡規范
　　目前工業控制網絡的發展可謂是百家爭鳴，各大公司都推出了相應的現場總線標準，并力求占有更大的市場份額。這些標準都有各自的優勢，也都各自在不同的應用領域占有一定的市場。為了使大家對各種工業現場總線有一個清晰的認識，這里對市場上常用的工業控制現場總線的規格性能進行了匯總，如表1所示。

2  工業網絡的發展方向——工業以太網
2.1 工業以太網的產生
　　以太網(Ethernet)的成功是有目共睹的，由于它具有高速與便宜的優點以及建構在TCP/UDP/IP下的各種應用，足以彌補現有工業控制網絡的不足，這一點從表2中以太網與傳統工業現場總線的對比就可以看出[2]。以太網進入工業控制領域是控制網絡發展的必然趨勢，但大家更期待的是一個統一、開放的工業以太網規范。但事實并非如此，IEC61158認可的八種工業網絡標準作為工業以太網發展的結果，形成了四種不同的工業以太網標準協議，分別為：

　　(1)Foundation Fieldbus和WorldFIP 向Foundation Fieldbus HSE發展。
　　(2)ControlNet和DeviceNet向Ethernet/IP發展。
　　(3)Interbus和Modbus向IDA發展。
　　(4)Profibus向ProfiNet發展。
　　這四種工業以太網標準，都有其支持廠商和相應產品。一些國際組織也正積極推動以太網進入工業控制領域：IEEE正著手制定工業網絡與以太網通信的新標準，該標準將使網絡能看到“對象”。但近期，工業以太網的標準還難以統一，仍然會像現場總線一樣在市場上出現多標準共存的局面。
2.2 工業以太網的內涵
　　所謂工業以太網，一般來講是指技術上與商用以太網兼容，但在產品設計時又能在實時性、材質的選用、產品的強度以及適用性等方面滿足工業現場的需要。工業以太網并不是要將所有的工業網絡全部改成以太網，而是要將原來工業網絡應用層定義的數據信息封包在以太網的網絡層與傳輸層內。也就是說，工業以太網的重點在于TCP/UDP/IP，而不在以太網的物理層。工業以太網規范主要規定了三件事情。
　　(1)一套共用的應用層標準。這樣，數據封裝的定義與解釋才有了基準。
　　(2)適用于工業環境的網絡設備。許多場合需要工業規格的連接器，原來以太網的RJ45接頭不適用于工業現場環境。
　　(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。本質上，以太網并不是一個實時性網絡，它只能保證數據可以到達，但不能保證到達的時間。
2.3 工業以太網面臨的技術問題與解決辦法
　　以太網在商業環境的應用非常成功，但在工業環境卻面臨著一些技術問題。
　　(1)以太網的非實時性：以太網技術采用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度方式。網絡每個節點要通過競爭來取得信息的發送權，當網絡負荷較大時，網絡傳輸不能滿足工業控制的實時要求。解決此問題的方法就是避免碰撞發生。通過提高以太網的速度(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絡頻寬(或固定服務時間)。最近，網絡交換機技術的進步，已經可以將以太網由對等結構轉變為星形結構。因為對等網絡上的每一個節點都可以任意地傳送數據，碰撞機率當然很高。但在星形結構下，每個節點的數據收發都需先經交換機統籌管理。這樣，實時性就比較容易實現。
　　(2)無法實現異質平臺整合(Interoperability)：因為以太網只定義了物理層與數據鏈路層，在當今標準林立的環境下，跨平臺的數據交換是無法實現的。
　　(3)無法滿足工業環境要求：商用以太網所用的接頭、集線器、交換機和電纜等設備都是為辦公環境而設計的，并沒有考慮工業現場環境的適應性要求，如超高或超低的工作溫度，大馬達或大導體產生的強電磁噪聲等，因此不能直接應用于工業現場環境。
　　針對以太網應用于工業環境所面臨的一些問題，許多現場總線組織和國際知名公司采用了多種方法來對以太網進行改進，以使其能夠滿足工業現場應用的要求。如HSE、Ethernet/IP和Modbus/TCP采用以太網與TCP/IP相結合的方法；TEMPRA、CSMA/DCR和GIT-CSMA/CD采用直接修改以太網MAC的方法；Ethrenet Powerlink和Profinet采用基于時間槽的分時調度方式等。這些方法可有效地解決了商用以太網應用于工業現場所面臨的一些技術難題，并已有了一定的市場應用。但以太網能否在將來完全替代現場總線，實現網絡控制系統的大統一，目前還難下定論。
3  運動控制網絡
3.1 運動網絡定義
　　國內外現有的運動控制產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展的方向，它使用了一個嵌入式計算機系統來代替傳統的PC機，而且它通過運動網絡(Motion Network)實現了運動控制系統的網絡化控制，是今后運動控制系統發展的趨勢。所謂運動網絡是指建構在CNC控制器與多軸馬達驅動器之間，能夠實時、同步地傳送運動控制指令和接收運動狀態的網絡系統。它不僅包含物理層與數據鏈路層的定義，也必須定義屬于應用層的運動控制軟件界面，這樣才能實現網絡中強調的異質平臺整合。
3.2 運動網絡的發展趨勢
　　SERCOS(Serial Real-time Communication System)是近十年來運動網絡最主要的規范。它用光纖連接CNC與多軸伺服馬達驅動器，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，通信協議是HDLC。近年來已經有一些大公司著手制定基于以太網和Firewire(IEEE1394)的運動網絡，這兩種規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運動網絡也提出了一種運動系統的新思維，稱作“Soft-motion”。它是將原本屬于CNC負責的軌跡規劃工作，分散到各個軸的智能型驅動器上。當然，這種能力有賴于驅動器之間的高速通信能力。SERCOS提出的網絡化閉環回路控制觀念，在高速網絡的環境下更容易實現。SynqNet是以以太網為基礎的運動網絡，它可以同步連接32個軸。SynqNet的傳輸方式也由以太網的半雙工改為全雙工，網絡拓撲也由對等網絡改為環形。SERCOS在第三代版本中也作了大幅改進，它除了在網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標準。
3.3 PROFIdrive
　　PROFIdrive是PROFIBUS為驅動器應用制定的網絡規范。它基于PROFIBUS版本DP-V2，特別側重于網絡的實時控制[2]：
　　(1)Slave-to-Slave通信：Slave端可以用廣播的方式彼此通信，而不再經由Master端轉接。這種方式允許Slave端直接從另一個Slave端讀取數據。
　　(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為運動網絡提供了五種應用模式：
　　(1)Standard Drive(class1)：通過PROFIBUS下達驅動器的運動控制指令(速度命令)，閉環回路控制由驅動器執行。
　　(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端執行。因為子程序之間通常都會互相調用，所以這種分散式控制系統著重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域。

　　 (4)Central Motion Control(class4，5)：運動系統(驅動器)的閉環回路控制是經由PROFIBUS在CNC端進行。這種架構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的網絡系統設計
　　嵌入式Internet技術是一種設備接入技術或異種網絡互聯技術，主要解決如何通過Web和嵌入式技術實現從不同子網、不同物理區域對接入到Internet的設備和異類子網進行監控、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具有遠程監控、診斷和管理的能力[3]。
　　嵌入式系統由于其自身硬件資源有限，不同于通用計算機系統，因此由通用計算機操作系統內核實現的存儲器管理、設備管理、文件系統、網絡通信等功能模塊不可能在嵌入式操作系統的內核中全部實現。
傳統的運動控制器基本上沒有考慮網絡通信的問題。但隨著信息技術的發展，網絡通信已經是運動控制系統設計所必須考慮的問題。目前發展的趨勢是利用嵌入式Internet技術來解決運動控制器的網絡通信問題。可以說嵌入式Internet技術是嵌入式計算機系統與Internet技術相互結合的產物，它的誕生是對Internet技術的一個重要補充。
4  結  論
　　本文系統地概述了工業控制網絡的發展歷程和研究現狀，對比分析了以太網和傳統現場總線之間的異同，深入研究了以太網在工業控制應用中存在的技術問題及解決方法，并詳細敘述了工業以太網的研究現狀和成果，最后對運動控制網絡的發展現狀，特別是基于嵌入式Internet技術的運動控制網絡設計新理念進行了研究分析。由此指出，工業以太網適應了工業控制網絡系統的特點和發展趨勢，尤其是在解決運動控制系統要求的實時性與確定性方面有著不可替代的優勢。因此，工業以太網在實現工業網絡標準統一、推動網絡控制發展和應用推廣方面必將發揮重要的作用。
參考文獻
1   施浩仁.網絡技術在馬達驅動器中的應用.機械工業雜志[J]，2004；253：197
2   張研.工業以太網及其實時特性的研究[D].河北工業大學學報，2005；(2)
3   趙海.嵌入式Internet——21世紀的一場信息技術革命[M]. 北京：清華大學出版社，2001
4   Stallings W.Operation System Internals and Design Principles[M].Paramus，NJ：Prentice Hall，1994
5   關沫，趙海，韓光潔等.基于一個實時內核嵌入式Internet技術的研究與實現[J].計算機科學，2004；31(4)：24