基于交換式工業(yè)以太網(wǎng)研究

0、引言

信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅猛發(fā)展正深刻地改變著(zhù)人們的工作方式和生活方式，特別是對企業(yè)的信息化和自動(dòng)化發(fā)展也產(chǎn)生著(zhù)巨大的影響。企業(yè)的信息化，能夠有效提高企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理質(zhì)量與效率，從而提高企業(yè)的市場(chǎng)競爭能力與可持續發(fā)展能力。在企業(yè)信息化和自動(dòng)化領(lǐng)域，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )與信息技術(shù)的結合，孕育了控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的產(chǎn)生。企業(yè)信息化的發(fā)展，迫切需要一個(gè)開(kāi)放的、統一的、有效的、并且具有較強可持續發(fā)展能力的網(wǎng)絡(luò )通信平臺來(lái)支撐。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，所以在商業(yè)系統中被廣泛采用。但足傳統以太網(wǎng)采用總線(xiàn)式拓樸結構和多路存取載波偵聽(tīng)碰撞檢測（CSMA／CD）通訊方式，在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數據的傳輸過(guò)程會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱(chēng)為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2－30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(cháng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。本文將對此以及其它工業(yè)以太網(wǎng)巾的關(guān)鍵技術(shù)作了一定的研究。

1、傳統工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )結構

從總體結構上來(lái)講，傳統企業(yè)網(wǎng)絡(luò )可分為三個(gè)層次：管理層、監控層和現場(chǎng)設備層。其結構示意圖如下所示：

圖1 傳統工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )

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(dòng)化系統，同時(shí)從監控層提取有關(guān)生產(chǎn)數據用于制定綜合管理決策。管理層一般使川通用以太網(wǎng)，方便操作，并可連入外部網(wǎng)絡(luò )。

● 監控層。從現場(chǎng)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(tài)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(guò)擴展槽中網(wǎng)絡(luò )接口板與現場(chǎng)總線(xiàn)相連，協(xié)調網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的數據通信；另一方面，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的現場(chǎng)總線(xiàn)接口（轉換器）實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接。其關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)與底層現場(chǎng)設備網(wǎng)絡(luò )間的接口，主要負責現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)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(shí)現先進(jìn)控制利遠程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。

● 設備層?，F場(chǎng)設備以網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的形式掛接在現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上，依照現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議標準，設備采用功能塊的結構，通過(guò)組態(tài)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(guò)智能轉換器對傳統檢測儀表電流電壓進(jìn)行數字轉換和補償。

2、控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的區別與集成的必要性

控制剛絡(luò )技術(shù)源于計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，與一般的信息網(wǎng)絡(luò )有很多共同點(diǎn)，但又有不同之處和獨特的地方。

由于工業(yè)控制系統特別強調可靠性和實(shí)時(shí)性，所以，應用于測量與控制的數據通信不同于一般電信網(wǎng)絡(luò )的通信，也不同于信息技術(shù)中一般計算機網(wǎng)絡(luò )的通信?？刂凭W(wǎng)絡(luò )數據通信以引發(fā)物質(zhì)或能盤(pán)的運動(dòng)為最終目的。用于測量與控制的數據通信的主要特點(diǎn)是：允許對實(shí)時(shí)的事件進(jìn)行驅動(dòng)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(zhuān)用的通信網(wǎng)絡(luò )等。

控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的具體不同如下：

① 控制網(wǎng)絡(luò )中數據傳輸的及時(shí)性和系統響應的實(shí)時(shí)性是控制系統最基本的要求。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程控制系統的響應時(shí)間要求為0.01－0.5s，制造自動(dòng)化系統的響應時(shí)間要求為0.5－2.0s，信息網(wǎng)絡(luò )的響應時(shí)間要求為2.0～6.0s。在信息網(wǎng)絡(luò )的大部分使用中實(shí)時(shí)性是可以忽略的。

② 控制網(wǎng)絡(luò )強調在惡劣環(huán)境下數據傳輸的完整性、可靠性?？刂凭W(wǎng)絡(luò )應具有在高溫、潮濕、振動(dòng)、腐蝕，特別是電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長(cháng)時(shí)間、連續、可靠、完整地傳送數據的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾。在可燃和易爆場(chǎng)合，控制網(wǎng)絡(luò )還應具有本質(zhì)安全性能。

③ 在企業(yè)自動(dòng)化系統中，由于分散的單一用戶(hù)要借助控制網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入某個(gè)系統，通信方式多使用廣播或組播方式：在信息網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)自主系統與另一個(gè)自主系統一般都建立一對一通信方式。

④ 控制網(wǎng)絡(luò )必須解決多家公司產(chǎn)品和系統在同一網(wǎng)絡(luò )中相互兼容，即互操作性的問(wèn)題。

目前，企業(yè)網(wǎng)絡(luò )一般包含處理企業(yè)管理與決策信息的信息網(wǎng)絡(luò )和處理企業(yè)現場(chǎng)實(shí)時(shí)測控信息的控制網(wǎng)絡(luò )兩部分。信息網(wǎng)絡(luò )一般處于企業(yè)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?？刂凭W(wǎng)絡(luò )主要位于企業(yè)中下層，處理實(shí)時(shí)的、現場(chǎng)的信息，具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯性強、安全可靠、成本低廉等特征。

由此可見(jiàn)控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的集成十分必要，將為企業(yè)計算機綜合自動(dòng)化CIPA（Computer Integrated Plant Automation）與信息化創(chuàng )造有利的條什。主要體現在下面幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的信息集成，建立綜合實(shí)時(shí)信息庫，為企業(yè)優(yōu)化控制、生產(chǎn)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(shí)現對控制網(wǎng)絡(luò )工作的遠程監控、優(yōu)化調度及控制網(wǎng)絡(luò )的遠程診斷。
（4）實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )的遠程軟件維護與更新。

3、交換式工業(yè)以太網(wǎng)

基于以太網(wǎng)的分布式控制系統的采用正是為了能夠更好地實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的集成，克服以前各種控制系統的不足。以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)相比，其主要優(yōu)勢在于它能提供一個(gè)開(kāi)放的基礎構架，使企業(yè)從現場(chǎng)控制層到管理層實(shí)現全面的無(wú)縫信息集成；解決由于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議上的鴻溝導致“自動(dòng)化孤島”的問(wèn)題。

針對工業(yè)控制系統的要求，結合商用網(wǎng)絡(luò )成熟的設計方法，本文設計了一個(gè)結構化的交換式工業(yè)以太網(wǎng)，整個(gè)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2所示。

圖2 分布式以太網(wǎng)結構示意圖

整個(gè)網(wǎng)絡(luò )以以太網(wǎng)交換機為中心，包括數據庫服務(wù)器、文件服務(wù)器。以太網(wǎng)交換機有10Mbps，25Mbps和100Mbps等寬帶端口，一般通過(guò)100Mbps網(wǎng)絡(luò )交換機端口連到服務(wù)器，以滿(mǎn)足工業(yè)PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器時(shí)對網(wǎng)絡(luò )寬帶的要求。