【編者按】在工業(yè)生產(chǎn)中汤史，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，實(shí)際應(yīng)用對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高卒粮。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容巴锄，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和商用計(jì)算機(jī)的異同。

1钱挺、引言

在工業(yè)生產(chǎn)中惕拍，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，實(shí)際應(yīng)用對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高辣沧。在20世紀(jì)50~60年代冤牢，以模擬信號(hào)為主的電子裝置和自動(dòng)化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨后是在70~80年代集炭，集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)的出現(xiàn)，把大量分散的單回路測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表营密，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)回路調(diào)節(jié)械媒、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示评汰、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種功能纷捞，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。

DCS一般由操作站級(jí)被去、過(guò)程控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)儀表三級(jí)組成主儡，其特點(diǎn)是“集中管理，分散控制”惨缆，基本控制功能在過(guò)程控制級(jí)中糜值，工作站級(jí)的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個(gè)局部的不可靠而造成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的損害降到較低的程度坯墨，且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟寂汇，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流捣染。但DCS的結(jié)構(gòu)是多級(jí)主從關(guān)系免姻，底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過(guò)主機(jī)，從而造成主機(jī)負(fù)荷過(guò)重豌泊，效率低下们灵，并且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)“癱瘓”怔于。而且DCS是一種數(shù)字-模擬混合系統(tǒng)禀蜒，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然使用傳統(tǒng)的4~20mA模擬信號(hào)，工程與管理成本高近窟，柔性差题姜。此外各制造商的DCS自成標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議封閉伦颊，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用贪庄。

進(jìn)入90年代，具有數(shù)字化的通信方式青弃、全分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鞠哥、開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)卖氨、高度的環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)迅速崛起并趨向成熟会烙，控制功能全面轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，而在此基礎(chǔ)上形成的新的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)綜合了數(shù)字通信技術(shù)筒捺、計(jì)算機(jī)技術(shù)柏腻、自動(dòng)控制技術(shù)纸厉、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字-模擬信號(hào)控制的局限性五嫂，構(gòu)成一種全分散颗品、全數(shù)字化、智能化沃缘、雙向躯枢、互連、多變量槐臀、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)锄蹂。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層水慨、控制層和信息層得糜。采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為可能，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不僅是通信標(biāo)準(zhǔn)步蛮，同時(shí)也是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)遂冰。FCS正在走向取代DCS并推動(dòng)著工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍。

2西寸、現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中的問(wèn)題

2.1標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題有待解決则涎，其中最突出的問(wèn)題就是缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。2000年初IEC公布的IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)枢慰，產(chǎn)生了H1(FF)沈席、ControlNet、Profibus艾维、P-Net谭迄、HSE(FF)、SwiftNet赠戏、WorldFIP怔樊、Interbus等8種IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)子集。IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的結(jié)局表明安粤，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)贫宫，將出現(xiàn)多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面，并導(dǎo)致控制網(wǎng)段的系統(tǒng)集成與信息集成面臨困難枝誊。無(wú)論是最終用戶(hù)還是工程集成商也包括制造商况芒，都在尋求高性能、低成本的解決方案叶撒。8種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線采用不同的通信協(xié)議绝骚，要實(shí)現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域祠够，如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對(duì)象压汪，將不同層次的現(xiàn)場(chǎng)總線組合使用粪牲，使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)蛾魄，仍然是比較棘手的問(wèn)題虑瀑。

2.2系統(tǒng)的集成問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)大的系統(tǒng)很可能采用多種的現(xiàn)場(chǎng)總線滴须，特別是中國(guó)那些高速成長(zhǎng)的終端用戶(hù)，在企業(yè)的不同發(fā)展階段和國(guó)際范圍的跨國(guó)制造裝備采購(gòu)幾乎不可能統(tǒng)一技術(shù)前沿的現(xiàn)場(chǎng)總線叽奥。如何把企業(yè)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與管理層的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫地集成扔水，從而使整個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)管控一體化，顯得十分關(guān)鍵√僚郏現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)兔升，不僅要考慮各現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的距離，還要考慮現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系绑接、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)情況等胃余。由于智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能很強(qiáng)，因此許多儀表會(huì)有同樣的功能塊柑汇，組態(tài)時(shí)要仔細(xì)考慮功能塊的選擇没撒，使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)最小化。同時(shí)通信參數(shù)的組態(tài)也很重要豫狸，要在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡胆叁。

2.3存在技術(shù)瓶頸

現(xiàn)場(chǎng)總線在應(yīng)用中還存在一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面赂裁。

(1)當(dāng)總線電纜斷開(kāi)時(shí)轻迹，整個(gè)系統(tǒng)有可能癱瘓。用戶(hù)希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低烛许，但不能崩潰祭昏，這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場(chǎng)總線不能保證。

(2)本安防爆理論的制約∏看欤現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長(zhǎng)度和總線上負(fù)載的數(shù)量岔霸。這就是限制了現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省電纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。

(3)系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過(guò)分復(fù)雜【腊危現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)參數(shù)很多秉剑，不容易掌握，但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞稠诲，對(duì)系統(tǒng)性能影響很大侦鹏。

因此，采用一種統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義臀叙。為了加快新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用略水，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴(kuò)展性和兼容性的問(wèn)題价卤，業(yè)內(nèi)人士把目光轉(zhuǎn)移到了在商用局域網(wǎng)中大獲成功的具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉渊涝、易于安裝慎璧、傳輸速度高、功耗低跨释、軟硬件資源豐富要捐、兼容性好、靈活性高蝎疹、易于與Internet集成抽述、支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)。

3边饿、以太網(wǎng)與TCP/IP

以太網(wǎng)(Ethernet)最早來(lái)源于Xerox公司于1973年建造的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使城，是一種總線式局域網(wǎng)，以基帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)值舀，采用CSMA/CD協(xié)議蛆骨。Xerox公司建造的以太網(wǎng)非常成功，1980年Xerox裙澎、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)洒妈。1985年，IEEE802委員會(huì)吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)宦狭，并對(duì)其進(jìn)行了修改申建。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只描述了使用50歐同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸率為10Mbps的總線局域網(wǎng)乘碑，而且以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括ISO數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的全部?jī)?nèi)容挖息；而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)描述了運(yùn)行在各種介質(zhì)上的、數(shù)據(jù)傳輸率從1Mbps~10Mbps的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)兽肤，而且IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)只定義了ISO參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層(即介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC子層)和物理層套腹，而數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。該規(guī)范規(guī)定采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突(碰撞)檢測(cè)CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect)资铡，信號(hào)以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸电禀。

按照ISO的OSI七層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層笤休，作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng)尖飞。以太網(wǎng)在成為數(shù)據(jù)鏈路和物理層的協(xié)議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了店雅。由于后來(lái)國(guó)際互連網(wǎng)采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議政基，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協(xié)議組放在一起，稱(chēng)為以太網(wǎng)技術(shù)闹啦；TCP/IP的簡(jiǎn)單實(shí)用已為廣大用戶(hù)所接受沮明，不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)辕坝，而且在各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)施式，并開(kāi)始向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)延伸酷卖。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議涎花，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎(chǔ)的TCP/IP協(xié)議簇喊宿。

在TCP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議是IP(InternetProtocol)瞒酪，同時(shí)還提供ARP(Address Resolution Protocol)靡抓、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等協(xié)議缓膀。該層的主要功能包括處理來(lái)自傳輸層的分組發(fā)送請(qǐng)求(即組裝IP數(shù)據(jù)報(bào)并發(fā)往網(wǎng)絡(luò)接口)、處理輸入數(shù)據(jù)報(bào)僚料、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)或從數(shù)據(jù)報(bào)中抽取分組详依、處理差錯(cuò)與控制報(bào)文(包括處理路由、流量控制毡飒、擁塞控制等)球毙。

傳輸層的功能是提供應(yīng)用程序間(端到端)的通信服務(wù)，它提供用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)和傳輸控制協(xié)議TCP(TransferControlProtocol)兩個(gè)協(xié)議痪寻。UDP負(fù)責(zé)提供高效率的服務(wù)螺句，用于傳送少量的報(bào)文，幾乎不提供可靠性措施橡类，使用UDP的應(yīng)用程序需自己完成可靠性操作蛇尚；TCP負(fù)責(zé)提供高可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，主要用于傳送大量報(bào)文顾画，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)為粗同軸電纜取劫、細(xì)同軸電纜、雙絞線研侣、光纖等谱邪，其最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用庶诡，易為人們所掌握惦银，所以深受廣大用戶(hù)歡迎。與現(xiàn)場(chǎng)總線相比末誓，以太網(wǎng)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)兼容性好扯俱，有廣泛的技術(shù)支持

基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問(wèn)題晌叽，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)甲施，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無(wú)縫集成互聪。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持重我。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)突棉，如VB、Java狼谋、VC等绒怯。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證多種開(kāi)發(fā)工具坑搀、開(kāi)發(fā)環(huán)境供選擇笑院。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外溜封，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)类玉，共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展踢寂。

(2)易于與Internet連接

以太網(wǎng)支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議嫂茸，能夠在任何地方通過(guò)Internet對(duì)企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，能便捷地訪問(wèn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)弄兜，共享/訪問(wèn)多數(shù)據(jù)庫(kù)药蜻。

(3)成本低廉

采用以太網(wǎng)能降低成本，包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費(fèi)用替饿、維護(hù)費(fèi)用及初期投資语泽。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)廠商的廣泛支持视卢，具有豐富的軟硬件資源踱卵，有多種硬件產(chǎn)品供用戶(hù)選擇，硬件價(jià)格也相對(duì)低廉腾夯。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有現(xiàn)場(chǎng)總線的十幾分之一颊埃，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降蝶俱。人們對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)班利、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其技術(shù)也十分熟悉榨呆。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用罗标，在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需單獨(dú)的研究投入，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本行删，并大大加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣速度过拿。

(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/p>

由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)投入。并且祸铁，在信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代睦氧，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴(lài)于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速秦谁，也更加成熟世砰，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

(5)通信速率高

目前以太網(wǎng)的通信速率為10M或100M以称、1000M友合、10G的快速以太網(wǎng)也開(kāi)始應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟烘幅，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快得多颊夷，以太網(wǎng)可以滿(mǎn)足對(duì)帶寬的更高要求。

4钉答、以太網(wǎng)應(yīng)用于控制時(shí)存在的問(wèn)題

但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò)础芍，要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面数尿。

(1)存在實(shí)時(shí)性差者甲，不確定性的問(wèn)題

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用BEB(BinaryExponentialBack-off)算法處理沖突砌创，具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)取得信息包的發(fā)送權(quán)鲫懒。通信時(shí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)信道嫩实，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息窥岩；如果信道忙碌則需要等待甲献。信息開(kāi)始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞颂翼，信息如發(fā)生碰撞晃洒，需退出重發(fā)，因此無(wú)法保證確定的排隊(duì)延遲和通信響應(yīng)確定性朦乏，不能滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制在實(shí)時(shí)性上的要求球及，甚至在通信繁忙時(shí)，還存在信息丟失的危險(xiǎn)罗炸，從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用化歪。

(2)工業(yè)可靠性問(wèn)題

以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要么歹，如超高或超低的工作溫度敛档，大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強(qiáng)電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車(chē)間底層應(yīng)用，必須要解決可靠性的問(wèn)題逐次。

(3)以太網(wǎng)不提供電源性谬，必須有額外的供電電纜

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳輸工作供給電源阶徒。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮连嘹，同時(shí)總線供電還能減少線纜，降低布線成本枷量。

(4)以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)

(5)安全性問(wèn)題

以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議帮观，因此可能會(huì)受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅桃熄。沒(méi)有授權(quán)的用戶(hù)可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層先口，造成安全漏洞。對(duì)此瞳收，一般可采用用戶(hù)密碼碉京、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理螟深，但針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的解決方案還需要認(rèn)真研究谐宙。

(6)現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問(wèn)題

上述這些問(wèn)題中，實(shí)時(shí)性界弧、確定性及可靠性問(wèn)題是長(zhǎng)期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙凡蜻。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法垢箕。

5划栓、工業(yè)以太網(wǎng)

一般來(lái)講，工業(yè)以太網(wǎng)是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)条获。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容忠荞，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和商用計(jì)算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要罪焰，需達(dá)到以下幾個(gè)方面的要求锌瓤。

(1)適應(yīng)性

包括機(jī)械特性(耐振動(dòng)、耐沖擊)暴喂、環(huán)境特性(工作溫度要求為-40~+85℃铝琐，并耐腐蝕、防塵霜售、防水)灭奉、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)妹髓。

(2)可靠性

由于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣过任，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求捉寻。

(3)本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)

對(duì)應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備以及通信設(shè)備江眯，都必須采取一定的防爆措施來(lái)保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)∨鸾啵現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型(如增安、氣密东摘、澆封等)和本質(zhì)安全型兩類(lèi)欢策。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段赏淌，可以帶來(lái)以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單踩寇、體積小、重量輕六水、造價(jià)低俺孙；可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換；安全可靠性高掷贾；適用范圍廣睛榄。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大想帅，一般都在六七十mA(5V工作電源)场靴，因此低功耗的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)港准。因此旨剥，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行浅缸。另一方面泞边，對(duì)于沒(méi)有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場(chǎng)合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施洒漱。

(4)安裝方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求铅坚，如采用DIN導(dǎo)軌安裝赃夷。

6、提高以太網(wǎng)實(shí)用性的方法

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展兰斑，以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍笤卡，再借助于相關(guān)技術(shù)，可以從總體上提高以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的實(shí)用性修暑。

　6.1采用交換技術(shù)

傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器询时，其結(jié)構(gòu)和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器，連接到共享式集線器上的所有站點(diǎn)共享一個(gè)帶寬奥唯，遵循CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)捷夜。而交換式集線器可以認(rèn)為是一個(gè)受控的多端口開(kāi)關(guān)矩陣，各個(gè)端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供了一個(gè)直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接非震。不同端口可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道吨拗，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現(xiàn)代交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展婿斥，交換機(jī)端口內(nèi)部之間的傳輸速率比整個(gè)設(shè)備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大劝篷，因而減少以太網(wǎng)的沖突率，并為沖突數(shù)據(jù)提供緩存民宿。當(dāng)然交換機(jī)的工作方式必須是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式娇妓，這樣在系統(tǒng)中只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，不會(huì)出現(xiàn)碰撞活鹰。多個(gè)交換把整個(gè)以太網(wǎng)分解成許多獨(dú)立的區(qū)域哈恰，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒(méi)有沖突华望，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)站點(diǎn)的帶寬蕊蝗，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和確定性。

交換式以太網(wǎng)沒(méi)有更改原有的以太網(wǎng)協(xié)議赖舟，可直接使用普通的以太網(wǎng)卡蓬戚，大大降低了組網(wǎng)的成本，并從根本上解決了以太網(wǎng)通信傳輸延遲存在不確定性的問(wèn)題宾抓。研究表明如麦，通信負(fù)荷在10%以下時(shí)，以太網(wǎng)因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計(jì)屏商。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中聂挚，傳輸?shù)男畔⒍酁橹芷谛詼y(cè)量和控制數(shù)據(jù)，報(bào)文小犹蝇，信息量少菱泻，傳輸?shù)男畔㈤L(zhǎng)度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值昵斤、控制量肉扁、開(kāi)關(guān)與閥門(mén)的工作位置、報(bào)警狀態(tài)困邪、設(shè)備的資源與維護(hù)信息勃谎、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改业馒、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等慷境。其長(zhǎng)度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個(gè)字節(jié)蛾趣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓呷吲场Ｑ芯勘砻魉幔趽碛?000個(gè)I/O的典型工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信負(fù)荷為10M以太網(wǎng)的5%左右批狐，即使有操作員信息傳輸(如設(shè)定值的改變扇售，用戶(hù)應(yīng)用程序的下載等)，10M以太網(wǎng)的負(fù)荷也完全可以保持在10%以下嚣艇。

6.2采用高速以太網(wǎng)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展承冰，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)(100M)和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世食零。通過(guò)提高通信速度困乒，結(jié)合交換技術(shù)，可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能贰谣。

6.3采用全雙工通信模式

交換式以太網(wǎng)中一個(gè)端口是一個(gè)沖突域娜搂，在半雙工情況下仍不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式吱抚，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個(gè)站點(diǎn)可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù)百宇，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問(wèn)題，理論上可以使傳輸速率提高一倍狱林。全雙工通信技術(shù)可以使設(shè)備端口間兩對(duì)雙絞線(或兩根光纖)上同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀水搀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣衙到，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞沟智，沖突域也就不復(fù)存在。對(duì)于緊急事務(wù)信息贱避，則可以根據(jù)IEEE802.3p

6.4采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的許多固有觀念啡洁，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更靈活、方便疙汁。實(shí)際上蕊肖，VLAN就是一個(gè)廣播域，不受地理位置的限制语哺，可以根據(jù)部門(mén)職能逐豆、對(duì)象組和應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)劃分為一個(gè)邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機(jī)的每一個(gè)端口只能標(biāo)記一個(gè)VLAN假棉，同一個(gè)VLAN中的所有站點(diǎn)擁有一個(gè)廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的征绸，這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生久橙。工業(yè)過(guò)程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開(kāi)來(lái)，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)放平臺(tái)上做邏輯分割管怠，將不同的功能層淆衷、不同的部門(mén)區(qū)分開(kāi)缸榄，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有靜態(tài)端口分配祝拯、動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種甚带。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡(luò)管理人員利用網(wǎng)管軟件或設(shè)備交換機(jī)的端口，使其直接從屬某個(gè)虛擬網(wǎng)佳头，這些端口將保持這樣的從屬性鹰贵，除非網(wǎng)管人員重新設(shè)置；動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動(dòng)確定它們的從屬康嘉；多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個(gè)用戶(hù)或一個(gè)端口同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)碉输，這樣可以將一臺(tái)控制層計(jì)算機(jī)配置成多個(gè)部門(mén)可以同時(shí)訪問(wèn)，也可以同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源亭珍。

6.5引入質(zhì)量服務(wù)(QoS)

IPQoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice)敷钾，亦即IP數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能，它的目的是向用戶(hù)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證稿服。QoS有一套度量指標(biāo)絮增，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲舀闻、可變延遲菜缭、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分實(shí)時(shí)-非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)焦凶，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)斗退，可以識(shí)別來(lái)自控制層的擁有較高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，并對(duì)它們優(yōu)先處理叁垫，在響應(yīng)延遲菠昼、傳輸延遲、吞吐量符貌、可靠性脯砚、傳輸失敗率、優(yōu)先級(jí)等方面钾排，使工業(yè)以太網(wǎng)滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制要求魁胁。另外，QoS網(wǎng)絡(luò)還可以制止對(duì)網(wǎng)絡(luò)的非法使用该肴，譬如非法訪問(wèn)控制層現(xiàn)場(chǎng)控制單元和監(jiān)控單元的終端等情竹。

此外，還出現(xiàn)了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議的改進(jìn)匀哄。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡(luò)秦效，不僅使現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成涎嚼，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本阱州，以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的挑秉，因此著名廠商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如Rockwell苔货、OMRON等公司支持Ethernet/IP犀概，IP是指工業(yè)協(xié)議，它提供Producer/Consumer模型夜惭，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協(xié)議的應(yīng)用層移植到TCP.FF制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議HSE提供了發(fā)布方/定購(gòu)方姻灶、對(duì)象等模型，主要用于工程控制領(lǐng)域滥嘴，受到了Foxboro能眠、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司發(fā)布的Modbus/TCP協(xié)議將Modbus協(xié)議捆綁在TCP協(xié)議上捍陌，易于實(shí)施糖窃，能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。

為了提高實(shí)時(shí)性颁究，以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進(jìn)烦优。一種完全基于軟件的協(xié)議RETHER(Real Time Ethernet)可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件的情況下確保實(shí)時(shí)性，它采用一種混合操作模式丢袁，能減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響萤掷；非競(jìng)爭(zhēng)的容許控制機(jī)制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節(jié)點(diǎn)故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以CSMA和RETHER兩種模式運(yùn)行棠镇。在實(shí)時(shí)對(duì)話期間焊轴，網(wǎng)絡(luò)將透明地轉(zhuǎn)換到RETHER模式，實(shí)時(shí)對(duì)話結(jié)束后又重新回到CSMA模式亭郑。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫RTCC(Real Time Commu NIcation Control)相梭，為分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。RTCC是加在Ethernet之上的一層協(xié)議媳谁，能提供高速涂滴、可靠、實(shí)時(shí)的通信晴音。它不需要改變現(xiàn)有的硬件設(shè)備柔纵，采用命令/響應(yīng)多路傳輸和總線表兩種新穎的機(jī)制來(lái)分配信道。所有節(jié)點(diǎn)在RTCC協(xié)議中被分為總線控制器(BC)和遠(yuǎn)程終端(RT)兩類(lèi)锤躁，BC只有一個(gè)搁料，其余都是RT.信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由BC承擔(dān)，訪問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程都是由BC來(lái)實(shí)現(xiàn)的系羞，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程的集成與同步郭计，不僅節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間是確定的，而且節(jié)點(diǎn)使用總線的時(shí)間也可控。在10Mbps以太網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)表明拣宏，RTCC有令人滿(mǎn)意的確定性。第三種改進(jìn)實(shí)時(shí)性的方法是流量平衡杠人，即在UDP或TCP/IP與EthernetMAC之間加一個(gè)流量平衡器勋乾。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上嗡善。在本地節(jié)點(diǎn)帕侦，它給予實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包以?xún)?yōu)先權(quán)來(lái)消除實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)平衡非實(shí)時(shí)信息皆坚，以減少與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息之間的沖突磷砌。為了保證非實(shí)時(shí)信息的吞吐量，流量平衡器還能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況調(diào)整數(shù)據(jù)流產(chǎn)生率笑敷。這種方法不需要對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)EthernetMAC協(xié)議和TCP或UDP/IP作任何改動(dòng)粒删。

因此，針對(duì)以太網(wǎng)排隊(duì)延遲的不確定性嫁商，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)牧髁靠刂破ㄎ堋⒔粨Q技術(shù)、全雙工通信技術(shù)捏趴、信息優(yōu)先級(jí)等來(lái)提高實(shí)時(shí)性给惠，并改進(jìn)了容錯(cuò)技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)以及冗余結(jié)構(gòu)筑唁，以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)拌喳。事實(shí)上，20世紀(jì)90年代中后期饺饭，國(guó)內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)渤早，推出了基于以太網(wǎng)的DCS、PLC砰奕、數(shù)據(jù)采集器蛛芥，以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表、顯示儀表等產(chǎn)品军援。

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的日趨成熟仅淑，在工業(yè)通信和自動(dòng)化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段，向網(wǎng)絡(luò)化胸哥、標(biāo)準(zhǔn)化涯竟、開(kāi)放性方向發(fā)展將是各種控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛空厌、成長(zhǎng)最快的局域網(wǎng)技術(shù)庐船，在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時(shí)嘲更，基于IP的全程一體化尋址筐钟，為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn)揩瞪、共享、高速的信息化通道解決方案咳讲，也必將對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響慕怀。

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