以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應用綜述

1、引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著(zhù)生產(chǎn)規模的擴大和復雜程度的提高，實(shí)際應用對控制系統的要求越來(lái)越高。在20世紀50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動(dòng)化儀表組成的監控系統取代傳統的機電控制系統。隨后是在70～80年代，集散控制系統DCS(Distributed Control System)的出現，把大量分散的單回路測控系統通過(guò)計算機進(jìn)行集中統一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計算機實(shí)現回路調節、工況聯(lián)鎖、參數顯示、數據存儲等多種功能，從而實(shí)現了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。

DCS一般由操作站級、過(guò)程控制級和現場(chǎng)儀表三級組成，其特點(diǎn)是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過(guò)程控制級中，工作站級的主要作用是監督管理。分散控制使得系統由于某個(gè)局部的不可靠而造成對整個(gè)系統的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟，極大地提高了整個(gè)系統的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動(dòng)控制系統的主流。但DCS的結構是多級主從關(guān)系，底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過(guò)主機，從而造成主機負荷過(guò)重，效率低下，并且主機一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統就會(huì )“癱瘓”。而且DCS是一種數字—模擬混合系統，現場(chǎng)儀表仍然使用傳統的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標準，通訊協(xié)議封閉，極大的制約了系統的集成與應用。

進(jìn)入90年代，具有數字化的通信方式、全分散的系統結構、開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )、多種傳輸媒介和拓撲結構、高度的環(huán)境適應性等特點(diǎn)的現場(chǎng)總線(xiàn)(Fieldbus)技術(shù)迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉入現場(chǎng)智能儀表，而在此基礎上形成的新的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(Fieldbus Control System)綜合了數字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、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的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統。相應的控制網(wǎng)絡(luò )結構也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結構分為設備層、控制層和信息層。采用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)使控制功能下放到現場(chǎng)設備成為可能，現場(chǎng)總線(xiàn)標準不僅是通信標準，同時(shí)也是系統標準。FCS正在走向取代DCS并推動(dòng)著(zhù)工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍。

2、現場(chǎng)總線(xiàn)應用中的問(wèn)題

2.1 標準問(wèn)題

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在實(shí)際應用中還存在一些問(wèn)題有待解決，其中最突出的問(wèn)題就是缺少統一的標準。2000年初IEC公布的IEC61158國際標準，產(chǎn)生了H1(FF)、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE(FF)、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等8種IEC現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準子集。IEC現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準制定的結局表明，在相當長(cháng)的一段時(shí)期內，將出現多種現場(chǎng)總線(xiàn)并存的局面，并導致控制網(wǎng)段的系統集成與信息集成面臨困難。無(wú)論是最終用戶(hù)還是工程集成商也包括制造商，都在尋求高性能、低成本的解決方案。8種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)采用不同的通信協(xié)議，要實(shí)現這些總線(xiàn)的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現場(chǎng)總線(xiàn)都有自己最合適的應用領(lǐng)域，如何在實(shí)際中根據應用對象，將不同層次的現場(chǎng)總線(xiàn)組合使用，使系統的各部分都選擇最合適的現場(chǎng)總線(xiàn)，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，仍然是比較棘手的問(wèn)題。

2.2 系統的集成問(wèn)題

在實(shí)際應用中，一個(gè)大的系統很可能采用多種的現場(chǎng)總線(xiàn)，特別是中國那些高速成長(cháng)的終端用戶(hù)，在企業(yè)的不同發(fā)展階段和國際范圍的跨國制造裝備采購幾乎不可能統一技術(shù)前沿的現場(chǎng)總線(xiàn)。如何把企業(yè)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )與管理層的數據網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)縫地集成，從而使整個(gè)企業(yè)實(shí)現管控一體化，顯得十分關(guān)鍵?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統在設計網(wǎng)絡(luò )布局時(shí)，不僅要考慮各現場(chǎng)節點(diǎn)的距離，還要考慮現場(chǎng)節點(diǎn)之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò )上的流動(dòng)情況等。由于智能化現場(chǎng)儀表的功能很強，因此許多儀表會(huì )有同樣的功能塊，組態(tài)時(shí)要仔細考慮功能塊的選擇，使網(wǎng)絡(luò )上的信息流動(dòng)最小化。同時(shí)通信參數的組態(tài)也很重要，要在系統的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò )效率之間做好平衡。

2.3 存在技術(shù)瓶頸

現場(chǎng)總線(xiàn)在應用中還存在一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題，主要表現在以下幾個(gè)方面。

(1) 當總線(xiàn)電纜斷開(kāi)時(shí)，整個(gè)系統有可能癱瘓。用戶(hù)希望這時(shí)系統的效能可以降低，但不能崩潰，這一點(diǎn)目前許多現場(chǎng)總線(xiàn)不能保證。

(2) 本安防爆理論的制約?，F有的防爆規定限制總線(xiàn)的長(cháng)度和總線(xiàn)上負載的數量。這就是限制了現場(chǎng)總線(xiàn)節省電纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。

(3) 系統組態(tài)參數過(guò)分復雜?，F場(chǎng)總線(xiàn)的組態(tài)參數很多，不容易掌握，但組態(tài)參數設定得好壞，對系統性能影響很大。

因此，采用一種統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準對于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統的發(fā)展與應用，各大廠(chǎng)商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問(wèn)題，業(yè)內人士把目光轉移到了在商用局域網(wǎng)中大獲成功的具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉、易于安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬件資源豐富、兼容性好、靈活性高、易于與Internet集成、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、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，是一種總線(xiàn)式局域網(wǎng)，以基帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，采用CSMA/CD協(xié)議。Xerox公司建造的以太網(wǎng)非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標準。1985年，IEEE802委員會(huì )吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標準，并對其進(jìn)行了修改。以太網(wǎng)標準和IEEE802.3標準的主要區別是以太網(wǎng)標準只描述了使用50歐同軸電纜、數據傳輸率為10Mbps的總線(xiàn)局域網(wǎng)，而且以太網(wǎng)標準包括ISO數據鏈路層和物理層的全部?jì)热?而IEEE802.3標準描述了運行在各種介質(zhì)上的、數據傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)，而且IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的數據鏈路層的一個(gè)子層(即介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制MAC子層)和物理層，而數據鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。該規范規定采用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突(碰撞)檢測CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，信號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。

按照ISO的OSI七層結構，以太網(wǎng)標準只定義了數據鏈路層和物理層，作為一個(gè)完整的通信系統。以太網(wǎng)在成為數據鏈路和物理層的協(xié)議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來(lái)國際互連網(wǎng)采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，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); TCP/IP的簡(jiǎn)單實(shí)用已為廣大用戶(hù)所接受，不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域內，而且在各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò )、監控層網(wǎng)絡(luò )也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開(kāi)始向現場(chǎng)設備層網(wǎng)絡(luò )延伸。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協(xié)議簇。