摘要：本文通過對傳統工業控制網絡的深入分析，提出了一種新型的控制網絡體系結構——結構化的交換式工業以太網。分析了該系統的特點，探討了交換式以太控制網絡應用于工業現場的關鍵技術。 關鍵詞：控制網絡；以太網；信息網絡；分布式智能 [align=center][b]Research Of Exchanged Industrial Ethernet-Based XiYabin,MaYongGuang，LinYongJun[/b] （Industry Process Simulation&Control Laboratory,North China Electlic Power University BaoDing 07l003．China）[/align] Abstract：This article passes to the thorough analysis of the traditional industry control network．put forward a kind of new control network system construction－－structural exchanged industrial ethernet．Analyzed the characteristics of that system．probes tile structural exchanged industrial ethernet is applied in the key technique of the industry the spot． Keywords：control network；Ethernet；information network；Distributed Intelligence 0 引言 信息網絡技術的迅猛發展正深刻地改變著人們的工作方式和生活方式，特別是對企業的信息化和自動化發展也產生著巨大的影響。企業的信息化，能夠有效提高企業的生產、經營、管理質量與效率，從而提高企業的市場競爭能力與可持續發展能力。在企業信息化和自動化領域，計算機技術、控制技術、網絡與信息技術的結合，孕育了控制網絡技術的產生。企業信息化的發展，迫切需要一個開放的、統一的、有效的、并且具有較強可持續發展能力的網絡通信平臺來支撐。以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等優點，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業系統中被廣泛采用。但足傳統以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA／CD）通訊方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表：商業以太網在工業應用中的傳輸延滯在2－30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。本文將對此以及其它工業以太網巾的關鍵技術作了一定的研究。 1 傳統工業控制網絡結構 從總體結構上來講，傳統企業網絡可分為三個層次：管理層、監控層和現場設備層。其結構示意圖如下所示： [align=center] 圖一 傳統工業控制網絡[/align] 管理層、控制層、設備層三層各層功能如下： ●管理層。主要是辦公自動化系統，同時從監控層提取有關生產數據用于制定綜合管理決策。管理層一般使川通用以太網，方便操作，并可連入外部網絡。 ●監控層。從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態的設計和下裝。監控層的功能一般由上位計算機完成，一方面，它通過擴展槽中網絡接口板與現場總線相連，協調網絡節點之間的數據通信；另一方面，通過專門的現場總線接口（轉換器）實現現場總線網段與以太網段的連接。其關鍵技術是以太網與底層現場設備網絡間的接口，主要負責現場總線協議與以太網協議的轉換，保證數據包的正確解釋和傳輸。監控層除上述功能外，還為實現先進控制利遠程操作優化提供支撐環境。 ●設備層。現場設備以網絡節點的形式掛接在現場總線網絡上，依照現場總線的協議標準，設備采用功能塊的結構，通過組態設汁，完成數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能；此外，通過智能轉換器對傳統檢測儀表電流電壓進行數字轉換和補償。 2 控制網絡與信息網絡的區別與集成的必要性 控制剛絡技術源于計算機網絡技術，與一般的信息網絡有很多共同點，但又有不同之處和獨特的地方。 由于工業控制系統特別強調可靠性和實時性，所以，應用于測量與控制的數據通信不同于一般電信網絡的通信，也不同于信息技術中一般計算機網絡的通信。控制網絡數據通信以引發物質或能盤的運動為最終目的。用于測量與控制的數據通信的主要特點是：允許對實時的事件進行驅動通信，具有很高的數據完整性，在電磁干擾和有地電位差的情況下能正常工作，多使用專用的通信網絡等。 控制網絡與信息網絡的具體不同如下： ①控制網絡中數據傳輸的及時性和系統響應的實時性是控制系統最基本的要求。一般來說，過程控制系統的響應時間要求為0．01－0．5s，制造自動化系統的響應時間要求為O．5－2．0s，信息網絡的響應時間要求為2．0～6．0s。在信息網絡的大部分使用中實時性是可以忽略的。 ②控制網絡強調在惡劣環境下數據傳輸的完整性、可靠性。控制網絡應具有在高溫、潮濕、振動、腐蝕，特別是電磁干擾等工業環境中長時間、連續、可靠、完整地傳送數據的能力，并能抗工業電網的浪涌、跌落和尖峰干擾。在可燃和易爆場合，控制網絡還應具有本質安全性能。 ③在企業自動化系統中，由于分散的單一用戶要借助控制網絡進入某個系統，通信方式多使用廣播或組播方式：在信息網絡中某個自主系統與另一個自主系統一般都建立一對一通信方式。 ④控制網絡必須解決多家公司產品和系統在同一網絡中相互兼容，即互操作性的問題。 目前，企業網絡一般包含處理企業管理與決策信息的信息網絡和處理企業現場實時測控信息的控制網絡兩部分。信息網絡一般處于企業中上層，處理大量的、變化的、多樣的信息，具有高速、綜合的特征。控制網絡主要位于企業中下層，處理實時的、現場的信息，具有協議簡單、容錯性強、安全可靠、成本低廉等特征。 由此可見控制網絡與信息網絡的集成十分必要，將為企業計算機綜合自動化CIPA（Computer Integrated Plant Automation）與信息化創造有利的條什。主要體現在下面幾點： （1）實現控制網絡與信息網絡的信息集成，建立綜合實時信息庫，為企業優化控制、生產調度、計劃決策提供依據。 （2）建立分布式數據庫管理功能，保證數據一致性、完整性和可操作性。 （3）實現對控制網絡工作的遠程監控、優化調度及控制網絡的遠程診斷。 （4）實現控制網絡的遠程軟件維護與更新。 3 交換式工業以太網 基于以太網的分布式控制系統的采用正是為了能夠更好地實現控制網絡與信息網絡的集成，克服以前各種控制系統的不足。以太網與現場總線相比，其主要優勢在于它能提供一個開放的基礎構架，使企業從現場控制層到管理層實現全面的無縫信息集成；解決由于網絡協議上的鴻溝導致“自動化孤島”的問題。 針對工業控制系統的要求，結合商用網絡成熟的設計方法，本文設計了一個結構化的交換式工業以太網，整個系統完全基于Ethernet－TCP／IP的一體化設計。其系統結構示意圖如圖二所示。 [align=center] 圖二 分布式以太網結構示意圖[/align] 整個網絡以以太網交換機為中心，包括數據庫服務器、文件服務器。以太網交換機有1OMbps，25Mbps和1OOMbps等寬帶端口，一般通過1OOMbps網絡交換機端口連到服務器，以滿足工業PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務器時對網絡寬帶的要求。 監控單元完成對整個控制過程的監控，參數設定等功能，如果要求監控工作站具有多媒體功能，可接入25Mbps端口。 現場設備可以是一般的工業控制計算機系統、現場總線控制網絡、PLC、嵌入式控制系統等。一般的工業控制計算機系統通過以太網卡接入網絡交換機或交換式集線器；現場總線控制網絡通過數據網關與以太網互聯；PLC的接入有兩種情況，帶有以太網卡的PLC可通過以太網卡接入交換機，普通不帶以太網卡的PLC要通過485／232轉換及工業控制計算機接入網絡交換機；嵌入式控制系統可通過嵌入式控制器自帶的以太網卡接入網絡交換機。 當網絡規模較大時，可采用分段結構，連成更大的網絡，每一個交換機及控制設備構成相對獨立的控制子網。若干個控制子網互聯組成規模較大的控制網絡。 該控制網絡系統具有以下特點： （1）分布式對等功能單元 控制系統按功能分為管理層、控制層兩層。管理層與傳統工業網絡的管理層無重大區別。控制層合并了原有的監控層和設備層，取而代之的是根據功能和部門劃分的若干“單元”，各單元之間關系對等，單元內部是相對獨立的實時控制區域。控制功能下放到各現場控制單元的現場智能儀表和設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統的靈活性、自治性和安全可靠性。 （2）分層式網絡結構 整個網絡采用結構化設計，分為核心層、分布層二層。 核心層：為數據交換巾心，分布層設備之間的通信，其數據都通過該層進行高速交換。核心交換設備為三層高速交換機；創建和維護網絡路山表，實現不同功能單元或虛擬局域網子網之間的路由；實施訪問控制機制。 分布層：采用二層交換機實現各功能單元內部的數據交換，交換機與現場設備或下游交換機采用點－點／全雙工方式連接，使單元內部主要設備都能獨享帶寬，從而保證系統通信實時性。 與扁平式網絡相比，分層式網絡結構具有很大優勢：（a）能有效分割網絡，成為較小的廣播域和沖突域，為終端設備提供更大的帶寬。（b）分層式結構提高了網絡的擴展性，當加入新的功能單元時，不會降低網絡的性能。（c）有利于故障排除，并限制故障影響。（d）使各功能單元成為對等關系，組成分布式通信系統。 （3）更高的開放性 基于Ethernet-TCP／IP的工業以太網，管理層和控制層使用相同的通信協議。本質上，管理單元與現場控制單元及監控單元可自由通訊，使上下層之間實現“無縫”集成；如果必要，管理層的決策單元可以直接獲得現場控制單元的數據，有利于提高綜合自動化決策速度；與此同時，管理層與控制層之間建立必要的訪問控制機制，保護現場控制單元和敏感部門的安全和通信的實時性。 由于采用得到廣泛應用的開放標準（協議），各廠家的設備只要采用相同的協議，或通過智能轉換器，就能方便地集成在同一個系統中，提高了互連性和互可操作性，從而消除了不同自動化系統之間的“信息孤島”。 （4）高傳輸速率 一般來說，骨干鏈路采用100Mbps傳輸率，設備及終端接入鏈路使用10／100Mbps傳輸率；另外，分層式網絡結構可將功能單元的通信數據盡量限制在本地，節約了骨干鏈路帶寬，也減少了單元之間的廣播，提高了終端的帶寬。 4 交換式以太控制網絡應用于工業現場的關鍵技術 ◆確保通信實時性。長期以來，以太網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，而導致不確定性的主要原因是以太網訪問傳輸媒體的方法，這種方法容易產生“捕獲效應”。交換式以太控制網絡技術不但極大地提高了信道地利用率，更重要的是它能夠屏蔽傳統共享式以太網的時延不確定性，為它應用于工業控制清除了主要障礙。然而，當交換式以太控制網絡規模擴大后，又出現了環路和廣播風暴的問題。 ◆環路和廣播風暴的解決方案。工業控制系統的網絡結構日趨復雜，很難保證其拓撲結構中不包含閉合環路。但可以采用動態生成樹算法計算交換機的路由，從而避免環路對數據幀轉發路由造成的影響，同時增加了交換式以太控制網絡的健壯性和組網的方便性。 ◆對網絡安全性的支持。目前交換式以太控制網絡已經把傳統的3層網絡系統（即信息管理層、過程監控層、現場設備層）合成一體，同時引入了一系列的網絡安全問題。除了引進防火墻機制外，網絡小身對安全提供兩方面的支持：網絡設備訪問控制和數據訪問控制。 ◆總線供電。所謂總線供電或總線饋電，是指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供工作電源。采用總線供電可以減少網絡線纜，降低安裝復雜性與費用，提高網絡和系統的易維護性。特別是在惡劣與危險的場合，總線供電具有十分重要的意義。由于以太網以前主要用于商業計算機通信，一般的設備或工作站（如計算機）本身已具有電源供電，沒有總線供電的要求，因此傳輸媒體只用于傳輸信息。 ◆互操作性。互操作性是指連接到同一網絡上的不同廠家的設備之間通過同一的應用層協議進行通信與互用，性能類似的設備可以實現互換。作為開放系統特點之一，互操作性向用戶保證了來自不同廠商的設備可以相互通信，并且可以在多廠商產品的集成環境中共同工作。這一方面提高了系統的質里，另一方面為用戶提供了更大市場選擇機會。互可操作性是決定某一通信技術能否被廣大自動化設備制造商和用戶接受，并進行大面積應用的關鍵。 ◆網絡生存性。所謂網絡生存性，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。任何一個系統組件發生故障，不管它是否是硬件，都會導致操作系統、網絡、控制器和應用程序以致于整個系統的癱瘓，則說明該系統的網絡生存能力很弱。因此，為了使網絡正常運行時間最大化，需要以可靠的技術來保證在網絡維護和改進時，系統不發生中斷。 ◆本質安全與安全防爆技術。在生產過程中，很多工業現場不可避免地存在易燃、易爆與有毒等場合。對應用于這些工業現場的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆技術措施來保證工業現場的安全。 現場設備的防爆技術包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型。與隔離型技術相比，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經濟上的優點：結構簡單，體積小，重量輕，造價低；可在帶電情況下進行維護和更換；安全可靠性高；適用范圍廣。實現本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。 以太網系統的本質安全包括工業現場以太網交換機、傳輸媒體以及基于以太網的變送器和執行機構等現場設備。由于目前以太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在60～70mA（5V工作電源），因此相對而言，基于以太網的低功耗現場設備和交換機的設計比較困難。 ◆遠距離傳輸。在工業現場，由于生產裝置一般都比較復雜，各種測量和控制儀表的空間分布比較分散，彼此間的距離比較遠，有時設備與設備之間的距離長達數公里。對于這種情況，如遵照傳輸的方法設計以太網，使用10Base-T雙絞線就顯得遠遠不夠，而使用10Base-2或10Base-5同軸電纜則不能進行全雙工通信，而且布線成本也比較高。同樣，如果在現場都采用光纖傳輸介質，布線成本可能比較高，但隨著互聯網和以太網技術的大范圍應用，光纖成本肯定會大大降低。 5 結束語 以太網和Internet技術的發展將完全改變傳統企業的網絡架構。毫無疑問，以太網在工業自動化網絡方面扮演著一個非常重要的角色。根據對三大汽車制造商的最新研究結果，以太網至少可以適用于70％的現場網絡，這意味著工業以太網有著非常廣泛的前景。 控制技術已從集中控制系統發展到集散控制系統。目前正向第三代控制系統－分布式智能（Distributed Intelligence）邁進。由于交換式以太控制網絡具有的高帶寬和延遲確定性雙重優點，為實現分布式智能提供了通信網絡平臺，引發了自動化體系結構的一場革命。這表明分布式智能是自動化必然的未來，而交換式以太控制網絡技術功不可沒。 參考文獻 [1]張文超，徐保國，工業計算機網絡．[J]工業控制計算機，1991,4：23～26 [2]謝凌廣，吳乃優，黃松杰．面向制造自動化的以太網技術[J]．測控技術,2001．（6）：10 [3]楊昌餛，正在進入控制領域的工業以太網．[J]世界儀表與自動化，2001，1 [4]Walsh G C,Ye Hong．Scheduling of Networked Control System[J]．IEEE 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