以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應用綜述

(4) 安裝方便，適應工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。

6、提高以太網(wǎng)實(shí)用性的方法

隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍，再借助于相關(guān)技術(shù)，可以從總體上提高以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制中的實(shí)用性。

6.1 采用交換技術(shù)

傳統以太網(wǎng)采用共享式集線(xiàn)器，其結構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(xiàn)器上的所有站點(diǎn)共享一個(gè)帶寬，遵循CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數據。而交換式集線(xiàn)器可以認為是一個(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，在源端和交換設備的目標端之間提供了一個(gè)直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接。不同端口可以形成多個(gè)數據通道，端口之間的數據輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著(zhù)現代交換機技術(shù)的發(fā)展，交換機端口內部之間的傳輸速率比整個(gè)設備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大，因而減少以太網(wǎng)的沖突率，并為沖突數據提供緩存。當然交換機的工作方式必須是存儲轉發(fā)方式，這樣在系統中只有點(diǎn)對點(diǎn)的連接，不會(huì )出現碰撞。多個(gè)交換把整個(gè)以太網(wǎng)分解成許多獨立的區域，以太網(wǎng)的數據沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒(méi)有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡(luò )上每個(gè)站點(diǎn)的帶寬，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，可直接使用普通的以太網(wǎng)卡，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。研究表明，通信負荷在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。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中，傳輸的信息多為周期性測量和控制數據，報文小，信息量少，傳輸的信息長(cháng)度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運行參數的測量值、控制量、開(kāi)關(guān)與閥門(mén)的工作位置、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統組態(tài)、參數修改、零點(diǎn)與量程調校信息等。其長(cháng)度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個(gè)字節，對網(wǎng)絡(luò )傳輸的吞吐量要求不高。研究表明，在擁有6000個(gè)I/O的典型工業(yè)控制系統中，通信負荷為10M以太網(wǎng)的5%左右，即使有操作員信息傳輸(如設定值的改變，用戶(hù)應用程序的下載等)，10M以太網(wǎng)的負荷也完全可以保持在10%以下。

6.2 采用高速以太網(wǎng)

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)(100M)和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國際標準，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過(guò)提高通信速度，結合交換技術(shù)，可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò )的整體性能。

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，在半雙工情況下仍不能同時(shí)發(fā)送和接收數據。如果采用全雙工模式，同一條數據鏈路中兩個(gè)站點(diǎn)可以在發(fā)送數據的同時(shí)接收數據，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。全雙工通信技術(shù)可以使設備端口間兩對雙絞線(xiàn)(或兩根光纖)上同時(shí)接收和發(fā)送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣，任一節點(diǎn)發(fā)送報文幀時(shí)不會(huì )再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復存在。對于緊急事務(wù)信息，則可以根據IEEE802.3pq，應用報文優(yōu)先級技術(shù)，使優(yōu)先級高的報文先進(jìn)入排隊系統先接受服務(wù)。通過(guò)這種優(yōu)先級排序，使工業(yè)現場(chǎng)中的緊急事務(wù)信息能夠及時(shí)成功地傳送到中央控制系統，以便得到及時(shí)處理。

6.4 采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的出現打破了傳統網(wǎng)絡(luò )的許多固有觀(guān)念，使網(wǎng)絡(luò )結構更靈活、方便。實(shí)際上，VLAN就是一個(gè)廣播域，不受地理位置的限制，可以根據部門(mén)職能、對象組和應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)交換機的每一個(gè)端口只能標記一個(gè)VLAN，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，這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。工業(yè)過(guò)程控制中控制層單元在數據傳輸實(shí)時(shí)性和安全性方面都要與普通單元區分開(kāi)來(lái)，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門(mén)區分開(kāi)，從而達到提高網(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、動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡(luò )管理人員利用網(wǎng)管軟件或設備交換機的端口，使其直接從屬某個(gè)虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設置;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;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(fǎng)問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個(gè)部門(mén)可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，也可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源。

6.5 引入質(zhì)量服務(wù)(QoS)

IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量(quality of service)，亦即IP數據流通過(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。QoS有一套度量指標，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡(luò )可以區分實(shí)時(shí)-非實(shí)時(shí)數據，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以識別來(lái)自控制層的擁有較高優(yōu)先級的數據，并對它們優(yōu)先處理，在響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級等方面，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。另外，QoS網(wǎng)絡(luò )還可以制止對網(wǎng)絡(luò )的非法使用，譬如非法訪(fǎng)問(wèn)控制層現場(chǎng)控制單元和監控單元的終端等。

此外，還出現了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應用標準及相關(guān)協(xié)議的改進(jìn)。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡(luò )，不僅使現場(chǎng)層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成，更能降低不同廠(chǎng)家設備在水平層面上的集成成本，以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡(luò )的延伸是必然的，因此著(zhù)名廠(chǎng)商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應用標準。如 Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業(yè)協(xié)議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協(xié)議的應用層移植到TCP。FF制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議HSE提供了發(fā)布方/定購方、對象等模型，主要用于工程控制領(lǐng)域，受到了Foxboro、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，易于實(shí)施，能夠實(shí)現互聯(lián)。

為了提高實(shí)時(shí)性，以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進(jìn)。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，能減少對網(wǎng)絡(luò )中非實(shí)時(shí)數據傳輸性能的影響;非競爭的容許控制機制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節點(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兩種模式運行。在實(shí)時(shí)對話(huà)期間，網(wǎng)絡(luò )將透明地轉換到RETHER模式，實(shí)時(shí)對話(huà)結束后又重新回到CSMA模式。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫RTCC(Real Time Communication Control)，為分布式實(shí)時(shí)應用提供了良好的基礎。RTCC是加在Ethernet之上的一層協(xié)議，能提供高速、可靠、實(shí)時(shí)的通信。它不需要改變現有的硬件設備，采用命令/響應多路傳輸和總線(xiàn)表兩種新穎的機制來(lái)分配信道。所有節點(diǎn)在RTCC協(xié)議中被分為總線(xiàn)控制器(BC)和遠程終端(RT)兩類(lèi)，BC只有一個(gè)，其余都是RT。信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由BC承擔，訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程都是由BC來(lái)實(shí)現的，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程的集成與同步，不僅節點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間是確定的，而且節點(diǎn)使用總線(xiàn)的時(shí)間也可控。在10Mbps以太網(wǎng)上的實(shí)驗表明，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，即在UDP或TCP/IP與Ethernet MAC之間加一個(gè)流量平衡器。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上。在本地節點(diǎn)，它給予實(shí)時(shí)數據包以?xún)?yōu)先權來(lái)消除實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息的競爭，同時(shí)平衡非實(shí)時(shí)信息，以減少與其他節點(diǎn)實(shí)時(shí)信息之間的沖突。為了保證非實(shí)時(shí)信息的吞吐量，流量平衡器還能根據網(wǎng)絡(luò )的負載情況調整數據流產(chǎn)生率。這種方法不需要對現有的標準Ethernet MAC協(xié)議和TCP或UDP/IP作任何改動(dòng)。