摘 要：对工业控制网络的发展历程和特点做了介绍，重点分析了工业以太网所面临的问题和解决方法，描述了运动控制网络的发展和研究现状，探讨了基于嵌入式Internet技术的运动网络系统设计的一些新思想。
关键词：工业网络工业以太网 运动控制 嵌入式Internet

　　网络技术无疑是21世纪影响人类生活形态、甚至改变公司经营决策的一项最重要技术。随着信息技术的发展，自动化领域也经历了一场由组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)到现在刚刚兴起的工业以太网控制的深层次变革。现在，工业自动化领域的现状是集散控制系统DCS仍然在许多行业有着广泛的应用；现场总线控制系统FCS已逐渐被大家认可，并以每年30%的增长率快速发展；而工业以太网控制系统则刚刚兴起，正处于试用阶段，并有望解决运动控制系统对网络实时性和确定性的要求，实现工业网络控制标准的最终统一。
1 工业网络
1.1 工业网络的特点
　　网络技术的产生对工业控制来说有以下优点：(1)安装布线方便；(2)模块化；(3)易于诊断；(4)自我建构；(5)企业化管理。虽然工业控制网络有这些优点，但实际上工业控制网络的进展却远不及商业网络，主要原因有二：(1)工业网络标准太多。各厂商从自身利益考虑会极力推行自己的网络标准。不同的网络协议针对特定的应用领域，因而具有各自的特点，各有其存在的环境和价值。而且新的协议还在不断产生，这样用户往往无所适从，担心一旦选用了一种协议后，会被某些厂商钳制。(2)网络化所必须增加的成本对用户来讲往往是一项沉重的负担。所以直到现在，具有网络接口的元件还很少，运动控制器也是如此。
1.2 工业网络的定义
　　工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。具体有以下三种类型：
　　(1)专用、封闭型工业网络：该网络规范是由各公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向：①走向封闭系统，以保证市场占有率。②走向开放型，使它成为标准。③设计专用的Gateway与开放型网络连接。
　　(2)开放型工业网络：除了一些较简单的标准是无条件开放外，大部分是有条件开放，或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员，产品需经过该组织的测试、认证，方可在该工业网络系统中使用。
　　(3)标准工业网络：符合国际标准IEC61158、IEC62026、ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网络，它们都会遵循ISO/OSI7层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面，或是自己设计通信IC，然后再依据应用领域设定数据传输格式。例如，DeviceNet的物理层与数据链路层是以CANbus为基础，再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。
　　目前IEC61158认可的八种工业现场总线标准分别是：Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P-NET、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。
1.3 工业网络的架构
　　现有的工业控制网络可以根据其应用场合的不同分为以下几种[1]：
　　(1)SensorBus：低阶网络，通常用来连接低阶的传感器、执行器等现场设备，传输数据量最少，例如AS-i、Interbus-S。
　　(2)DeviceBus：它界定的范围最广，只要是能对网络化设备提供通信或诊断功能的都属于这种类型。例如CANOpen、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP。
　　(3)FieldBus：通常是架构在Devicebus之上，用来传输大批量的数据，但传输速度较慢。有的也提供一些设备终端控制的功能，例如WorldFIP、Foundation Fieldbus、Profibus-PA。
　　(4)ControlBus：提供高阶控制设备(例如PLC，CNC)间的对等网络通信(Peer-to-Peer)，例如ControlNet。
　　(5)EnterpriseNet：企业的骨干网络，一般为Ethernet TCP/IP。
　　这五类网络的连接方式是，先将同一类型的网络串接起来，然后再把不同类型的网络通过Gateway连接起来。
1.4 工业网络规范
　　目前工业控制网络的发展可谓是百家争鸣，各大公司都推出了相应的现场总线标准，并力求占有更大的市场份额。这些标准都有各自的优势，也都各自在不同的应用领域占有一定的市场。为了使大家对各种工业现场总线有一个清晰的认识，这里对市场上常用的工业控制现场总线的规格性能进行了汇总，如表1所示。

2 工业网络的发展方向——工业以太网
2.1 工业以太网的产生
　　以太网(Ethernet)的成功是有目共睹的，由于它具有高速与便宜的优点以及建构在TCP/UDP/IP下的各种应用，足以弥补现有工业控制网络的不足，这一点从表2中以太网与传统工业现场总线的对比就可以看出[2]。以太网进入工业控制领域是控制网络发展的必然趋势，但大家更期待的是一个统一、开放的工业以太网规范。但事实并非如此，IEC61158认可的八种工业网络标准作为工业以太网发展的结果，形成了四种不同的工业以太网标准协议，分别为：

　　(1)Foundation Fieldbus和WorldFIP 向Foundation Fieldbus HSE发展。
　　(2)ControlNet和DeviceNet向Ethernet/IP发展。
　　(3)Interbus和Modbus向IDA发展。
　　(4)Profibus向ProfiNet发展。
　　这四种工业以太网标准，都有其支持厂商和相应产品。一些国际组织也正积极推动以太网进入工业控制领域：IEEE正着手制定工业网络与以太网通信的新标准，该标准将使网络能看到“对象”。但近期，工业以太网的标准还难以统一，仍然会像现场总线一样在市场上出现多标准共存的局面。
2.2 工业以太网的内涵
　　所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时又能在实时性、材质的选用、产品的强度以及适用性等方面满足工业现场的需要。工业以太网并不是要将所有的工业网络全部改成以太网，而是要将原来工业网络应用层定义的数据信息封包在以太网的网络层与传输层内。也就是说，工业以太网的重点在于TCP/UDP/IP，而不在以太网的物理层。工业以太网规范主要规定了三件事情。
　　(1)一套共用的应用层标准。这样，数据封装的定义与解释才有了基准。
　　(2)适用于工业环境的网络设备。许多场合需要工业规格的连接器，原来以太网的RJ45接头不适用于工业现场环境。
　　(3)特殊用途的通信模式。有些应用，特别是运动控制必须要求实时性和确定性。本质上，以太网并不是一个实时性网络，它只能保证数据可以到达，但不能保证到达的时间。
2.3 工业以太网面临的技术问题与解决办法
　　以太网在商业环境的应用非常成功，但在工业环境却面临着一些技术问题。
　　(1)以太网的非实时性：以太网技术采用CSMA/CD带有冲突检测的载波侦听多路访问机制，是一种非确定性的通信调度方式。网络每个节点要通过竞争来取得信息的发送权，当网络负荷较大时，网络传输不能满足工业控制的实时要求。解决此问题的方法就是避免碰撞发生。通过提高以太网的速度(例如提高到1Gbps)，虽然这样也无法避免碰撞，但是可以降低碰撞机率。另一种方法是为实时性要求较高的设备保留固定网络频宽(或固定服务时间)。最近，网络交换机技术的进步，已经可以将以太网由对等结构转变为星形结构。因为对等网络上的每一个节点都可以任意地传送数据，碰撞机率当然很高。但在星形结构下，每个节点的数据收发都需先经交换机统筹管理。这样，实时性就比较容易实现。
　　(2)无法实现异质平台整合(Interoperability)：因为以太网只定义了物理层与数据链路层，在当今标准林立的环境下，跨平台的数据交换是无法实现的。
　　(3)无法满足工业环境要求：商用以太网所用的接头、集线器、交换机和电缆等设备都是为办公环境而设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性要求，如超高或超低的工作温度，大马达或大导体产生的强电磁噪声等，因此不能直接应用于工业现场环境。
　　针对以太网应用于工业环境所面临的一些问题，许多现场总线组织和国际知名公司采用了多种方法来对以太网进行改进，以使其能够满足工业现场应用的要求。如HSE、Ethernet/IP和Modbus/TCP采用以太网与TCP/IP相结合的方法；TEMPRA、CSMA/DCR和GIT-CSMA/CD采用直接修改以太网MAC的方法；Ethrenet Powerlink和Profinet采用基于时间槽的分时调度方式等。这些方法可有效地解决了商用以太网应用于工业现场所面临的一些技术难题，并已有了一定的市场应用。但以太网能否在将来完全替代现场总线，实现网络控制系统的大统一，目前还难下定论。
3 运动控制网络
3.1 运动网络定义
　　国内外现有的运动控制产品主要包括四种类型：基于PC机的运动控制器、PLC型运动控制器、“PC机+运动控制卡”型运动控制器和基于嵌入式计算的运动控制器。其中基于嵌入式计算的运动控制器是今后运动控制器发展的方向，它使用了一个嵌入式计算机系统来代替传统的PC机，而且它通过运动网络(Motion Network)实现了运动控制系统的网络化控制，是今后运动控制系统发展的趋势。所谓运动网络是指建构在CNC控制器与多轴马达驱动器之间，能够实时、同步地传送运动控制指令和接收运动状态的网络系统。它不仅包含物理层与数据链路层的定义，也必须定义属于应用层的运动控制软件界面，这样才能实现网络中强调的异质平台整合。
3.2 运动网络的发展趋势
　　SERCOS(Serial Real-time Communication System)是近十年来运动网络最主要的规范。它用光纤连接CNC与多轴伺服马达驱动器，采取固定周期的方式将运动控制指令(通常是位置命令)由CNC传给各轴，传输速度为16Mbps，通信协议是HDLC。近年来已经有一些大公司着手制定基于以太网和Firewire(IEEE1394)的运动网络，这两种规格都提供了开放式的软硬件解决方案，而且性能、可靠性与价格都能够得到保证。Firewire运动网络也提出了一种运动系统的新思维，称作“Soft-motion”。它是将原本属于CNC负责的轨迹规划工作，分散到各个轴的智能型驱动器上。当然，这种能力有赖于驱动器之间的高速通信能力。SERCOS提出的网络化闭环回路控制观念，在高速网络的环境下更容易实现。SynqNet是以以太网为基础的运动网络，它可以同步连接32个轴。SynqNet的传输方式也由以太网的半双工改为全双工，网络拓扑也由对等网络改为环形。SERCOS在第三代版本中也作了大幅改进，它除了在网络的同步性与实时性方面有所加强外，也在应用层制定了相应的参数标准。
3.3 PROFIdrive
　　PROFIdrive是PROFIBUS为驱动器应用制定的网络规范。它基于PROFIBUS版本DP-V2，特别侧重于网络的实时控制[2]：
　　(1)Slave-to-Slave通信：Slave端可以用广播的方式彼此通信，而不再经由Master端转接。这种方式允许Slave端直接从另一个Slave端读取数据。
　　(2)同步传输(Isochronous)：这让Master端与Slave端的时序同步和运动轨迹的精度不因彼此时序的偏差而降低。
　　PROFIdrive为运动网络提供了五种应用模式：
　　(1)Standard Drive(class1)：通过PROFIBUS下达驱动器的运动控制指令(速度命令)，闭环回路控制由驱动器执行。
　　(2)Standard Drive with Technological Function(class2)：主控制器将一个控制主程序(Process)分割为几个子程序，然后交给Slave端执行。因为子程序之间通常都会互相调用，所以这种分散式控制系统着重Slave端的交互通信能力。
　　(3)Positioning Drive(class3)：整合一个额外的位置回路来增加应用领域。

　　 (4)Central Motion Control(class4，5)：运动系统(驱动器)的闭环回路控制是经由PROFIBUS在CNC端进行。这种架构特别适用于线马达的复杂应用。
　　(5)Distributed Automation by Clocked Process or Electronic Shafts(class6)：适用于需要Slave端通信与时序同步功能的场合。
3.4 基于嵌入式Internet的网络系统设计
　　嵌入式Internet技术是一种设备接入技术或异种网络互联技术，主要解决如何通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、管理及维护等操作，使用户对接入到Internet上的各种设备或其他类型的子网具有远程监控、诊断和管理的能力[3]。
　　嵌入式系统由于其自身硬件资源有限，不同于通用计算机系统，因此由通用计算机操作系统内核实现的存储器管理、设备管理、文件系统、网络通信等功能模块不可能在嵌入式操作系统的内核中全部实现。
传统的运动控制器基本上没有考虑网络通信的问题。但随着信息技术的发展，网络通信已经是运动控制系统设计所必须考虑的问题。目前发展的趋势是利用嵌入式Internet技术来解决运动控制器的网络通信问题。可以说嵌入式Internet技术是嵌入式计算机系统与Internet技术相互结合的产物，它的诞生是对Internet技术的一个重要补充。
4 结 论
　　本文系统地概述了工业控制网络的发展历程和研究现状，对比分析了以太网和传统现场总线之间的异同，深入研究了以太网在工业控制应用中存在的技术问题及解决方法，并详细叙述了工业以太网的研究现状和成果，最后对运动控制网络的发展现状，特别是基于嵌入式Internet技术的运动控制网络设计新理念进行了研究分析。由此指出，工业以太网适应了工业控制网络系统的特点和发展趋势，尤其是在解决运动控制系统要求的实时性与确定性方面有着不可替代的优势。因此，工业以太网在实现工业网络标准统一、推动网络控制发展和应用推广方面必将发挥重要的作用。
参考文献
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3 赵海.嵌入式Internet——21世纪的一场信息技术革命[M]. 北京：清华大学出版社，2001
4 Stallings W.Operation System Internals and Design Principles[M].Paramus，NJ：Prentice Hall，1994
5 关沫，赵海，韩光洁等.基于一个实时内核嵌入式Internet技术的研究与实现[J].计算机科学，2004；31(4)：24