以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應用綜述

在TCP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò )層的核心協(xié)議是IP(Internet Protocol)，同時(shí)還提供ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等協(xié)議。該層的主要功能包括處理來(lái)自傳輸層的分組發(fā)送請求(即組裝IP數據報并發(fā)往網(wǎng)絡(luò )接口)、處理輸入數據報、轉發(fā)數據報或從數據報中抽取分組、處理差錯與控制報文(包括處理路由、流量控制、擁塞控制等)。

傳輸層的功能是提供應用程序間(端到端)的通信服務(wù)，它提供用戶(hù)數據報協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)和傳輸控制協(xié)議TCP(Transfer Control Protocol)兩個(gè)協(xié)議。UDP負責提供高效率的服務(wù)，用于傳送少量的報文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應用程序需自己完成可靠性操作;TCP負責提供高可靠的數據傳送服務(wù)，主要用于傳送大量報文，并保證數據傳輸的可靠性。

以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)為粗同軸電纜、細同軸電纜、雙絞線(xiàn)、光纖等，其最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，經(jīng)濟實(shí)用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶(hù)歡迎。與現場(chǎng)總線(xiàn)相比，以太網(wǎng)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):

(1) 兼容性好，有廣泛的技術(shù)支持

基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標準的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )，適合于解決控制系統中不同廠(chǎng)商設備的兼容和互操作的問(wèn)題，不同廠(chǎng)商的設備很容易互聯(lián)，能實(shí)現辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的信息無(wú)縫集成。以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應用開(kāi)發(fā)，如VB、Java、VC等。采用以太網(wǎng)作為現場(chǎng)總線(xiàn)，可以保證多種開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境供選擇。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展主流之外，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)，共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續發(fā)展。

(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，能夠在任何地方通過(guò)Internet對企業(yè)進(jìn)行監控，能便捷地訪(fǎng)問(wèn)遠程系統，共享/訪(fǎng)問(wèn)多數據庫。

(3) 成本低廉

采用以太網(wǎng)能降低成本，包括技術(shù)人員的培訓費用、維護費用及初期投資。由于以太網(wǎng)的應用最為廣泛，因此受到硬件開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)廠(chǎng)商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產(chǎn)品供用戶(hù)選擇，硬件價(jià)格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有現場(chǎng)總線(xiàn)的十幾分之一，并且隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì )進(jìn)一步下降。人們對以太網(wǎng)的設計、應用等方面有很多的經(jīng)驗，對其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著(zhù)降低系統的開(kāi)發(fā)和培訓費用，在技術(shù)升級方面無(wú)需單獨的研究投入，從而可以顯著(zhù)降低系統的整體成本，并大大加快系統的開(kāi)發(fā)和推廣速度。

(4)可持續發(fā)展潛力大

由于以太網(wǎng)的廣泛應用，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，在信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，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，也更加成熟，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續發(fā)展。

(5) 通信速率高

目前以太網(wǎng)的通信速率為10M或100M，1000M、10G的快速以太網(wǎng)也開(kāi)始應用，以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，其速率比目前的現場(chǎng)總線(xiàn)快得多，以太網(wǎng)可以滿(mǎn)足對帶寬的更高要求。

4、以太網(wǎng)應用于控制時(shí)存在的問(wèn)題

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

(1) 存在實(shí)時(shí)性差，不確定性的問(wèn)題

傳統的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制機制，各個(gè)節點(diǎn)采用BEB(Binary Exponential Back-off)算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)要通過(guò)競爭來(lái)取得信息包的發(fā)送權。通信時(shí)節點(diǎn)監聽(tīng)信道，只有發(fā)現信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開(kāi)始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無(wú)法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性，不能滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制在實(shí)時(shí)性上的要求，甚至在通信繁忙時(shí)，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業(yè)控制中的應用。

(2) 工業(yè)可靠性問(wèn)題

以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標設計的，并沒(méi)有考慮工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境的適應性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機或其他大功率設備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車(chē)間底層應用，必須要解決可靠性的問(wèn)題。

(3) 以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜

工業(yè)現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場(chǎng)設備傳輸工作供給電源。這主要是從線(xiàn)纜鋪設和維護方便考慮，同時(shí)總線(xiàn)供電還能減少線(xiàn)纜，降低布線(xiàn)成本。

(4) 以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統

(5) 安全性問(wèn)題

以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，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。沒(méi)有授權的用戶(hù)可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶(hù)密碼、數據加密、防火墻等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò )的安全管理，但針對工業(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真研究。

(6) 現存的控制網(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、確定性及可靠性問(wèn)題是長(cháng)期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。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。

5、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)應用環(huán)境設計的標準以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標準)兼容，工業(yè)以太網(wǎng)和標準以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計算機和商用計算機的異同。以太網(wǎng)要滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要，需達到以下幾個(gè)方面的要求。

(1) 適應性

包括機械特性(耐振動(dòng)、耐沖擊)、環(huán)境特性(工作溫度要求為-40～+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水)、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2、EN50082-2標準。

(2) 可靠性

由于工業(yè)控制現場(chǎng)環(huán)境惡劣，對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。

(3) 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)

對應用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現場(chǎng)的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆措施來(lái)保證工業(yè)現場(chǎng)的安全生產(chǎn)?，F場(chǎng)設備的防爆技術(shù)包括隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質(zhì)安全型兩類(lèi)。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，可以帶來(lái)以下技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)點(diǎn):結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、造價(jià)低;可在帶電情況下進(jìn)行維護和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實(shí)現本質(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，一般都在六七十mA(5V工作電源)，因此低功耗的現場(chǎng)設備(如工業(yè)現場(chǎng)以太網(wǎng)交換機、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執行機構等)設計難以實(shí)現。因此，在目前的技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒(méi)有嚴格的本安要求的非危險場(chǎng)合，則可以不考慮復雜的防爆措施。