基于交換式工業(yè)以太網(wǎng)研究
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監控單元完成對整個(gè)控制過(guò)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(chǎng)設備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統、現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )、PLC、嵌入式控制系統等。一般的工業(yè)控制計算機系統通過(guò)以太網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò )交換機或交換式集線(xiàn)器；現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )通過(guò)數據網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)互聯(lián)；PLC的接入有兩種情況，帶有以太網(wǎng)卡的PLC可通過(guò)以太網(wǎng)卡接入交換機，普通不帶以太網(wǎng)卡的PLC要通過(guò)485／232轉換及工業(yè)控制計算機接入網(wǎng)絡(luò )交換機；嵌入式控制系統可通過(guò)嵌入式控制器自帶的以太網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò )交換機。
當網(wǎng)絡(luò )規模較大時(shí)，可采用分段結構，連成更大的網(wǎng)絡(luò )，每一個(gè)交換機及控制設備構成相對獨立的控制子網(wǎng)。若干個(gè)控制子網(wǎng)互聯(lián)組成規模較大的控制網(wǎng)絡(luò )。
該控制網(wǎng)絡(luò )系統具有以下特點(diǎn)：
（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(yè)網(wǎng)絡(luò )的管理層無(wú)重大區別?？刂茖雍喜⒘嗽械谋O控層和設備層，取而代之的是根據功能和部門(mén)劃分的若干“單元”，各單元之間關(guān)系對等，單元內部是相對獨立的實(shí)時(shí)控制區域?？刂乒δ芟路诺礁鳜F場(chǎng)控制單元的現場(chǎng)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(wǎng)絡(luò )結構
整個(gè)網(wǎng)絡(luò )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(guò)該層進(jìn)行高速交換。核心交換設備為三層高速交換機；創(chuàng )建和維護網(wǎng)絡(luò )路山表，實(shí)現不同功能單元或虛擬局域網(wǎng)子網(wǎng)之間的路由；實(shí)施訪(fǎng)問(wèn)控制機制。
分布層：采用二層交換機實(shí)現各功能單元內部的數據交換，交換機與現場(chǎng)設備或下游交換機采用點(diǎn)－點(diǎn)／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(shí)時(shí)性。
與扁平式網(wǎng)絡(luò )相比，分層式網(wǎng)絡(luò )結構具有很大優(yōu)勢：（a）能有效分割網(wǎng)絡(luò )，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(wǎng)絡(luò )的擴展性，當加入新的功能單元時(shí)，不會(huì )降低網(wǎng)絡(luò )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(guān)系，組成分布式通信系統。
（3）更高的開(kāi)放性
基于Ethernet-TCP／IP的工業(yè)以太網(wǎng)，管理層和控制層使用相同的通信協(xié)議。本質(zhì)上，管理單元與現場(chǎng)控制單元及監控單元可自由通訊，使上下層之間實(shí)現“無(wú)縫”集成；如果必要，管理層的決策單元可以直接獲得現場(chǎng)控制單元的數據，有利于提高綜合自動(dòng)化決策速度；與此同時(shí)，管理層與控制層之間建立必要的訪(fǎng)問(wèn)控制機制，保護現場(chǎng)控制單元和敏感部門(mén)的安全和通信的實(shí)時(shí)性。
由于采用得到廣泛應用的開(kāi)放標準（協(xié)議），各廠(chǎng)家的設備只要采用相同的協(xié)議，或通過(guò)智能轉換器，就能方便地集成在同一個(gè)系統中，提高了互連性和互可操作性，從而消除了不同自動(dòng)化系統之間的“信息孤島”。
（4）高傳輸速率
一般來(lái)說(shuō)，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(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )應用于工業(yè)現場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
· 確保通信實(shí)時(shí)性。長(cháng)期以來(lái)，以太網(wǎng)通信響應的不確定性是它在工業(yè)現場(chǎng)設備中應用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一，而導致不確定性的主要原因是以太網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)傳輸媒體的方法，這種方法容易產(chǎn)生“捕獲效應”。交換式以太控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)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(wǎng)的時(shí)延不確定性，為它應用于工業(yè)控制清除了主要障礙。然而，當交換式以太控制網(wǎng)絡(luò )規模擴大后，又出現了環(huán)路和廣播風(fēng)暴的問(wèn)題。
· 環(huán)路和廣播風(fēng)暴的解決方案。工業(yè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )結構日趨復雜，很難保證其拓撲結構中不包含閉合環(huán)路。但可以采用動(dòng)態(tài)生成樹(shù)算法計算交換機的路由，從而避免環(huán)路對數據幀轉發(fā)路由造成的影響，同時(shí)增加了交換式以太控制網(wǎng)絡(luò )的健壯性和組網(wǎng)的方便性。
· 對網(wǎng)絡(luò )安全性的支持。目前交換式以太控制網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)把傳統的3層網(wǎng)絡(luò )系統（即信息管理層、過(guò)程監控層、現場(chǎng)設備層）合成一體，同時(shí)引入了一系列的網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題。除了引進(jìn)防火墻機制外，網(wǎng)絡(luò )小身對安全提供兩方面的支持：網(wǎng)絡(luò )設備訪(fǎng)問(wèn)控制和數據訪(fǎng)問(wèn)控制。
· 總線(xiàn)供電。所謂總線(xiàn)供電或總線(xiàn)饋電，是指連接到現場(chǎng)設備的線(xiàn)纜不僅傳送數據信號，還能給現場(chǎng)設備提供工作電源。采用總線(xiàn)供電可以減少網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)纜，降低安裝復雜性與費用，提高網(wǎng)絡(luò )和系統的易維護性。特別是在惡劣與危險的場(chǎng)合，總線(xiàn)供電具有十分重要的意義。由于以太網(wǎng)以前主要用于商業(yè)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(méi)有總線(xiàn)供電的要求，因此傳輸媒體只用于傳輸信息。
· 互操作性?；ゲ僮餍允侵高B接到同一網(wǎng)絡(luò )上的不同廠(chǎng)家的設備之間通過(guò)同一的應用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用，性能類(lèi)似的設備可以實(shí)現互換。作為開(kāi)放系統特點(diǎn)之一，互操作性向用戶(hù)保證了來(lái)自不同廠(chǎng)商的設備可以相互通信，并且可以在多廠(chǎng)商產(chǎn)品的集成環(huán)境中共同工作。這一方面提高了系統的質(zhì)里，另一方面為用戶(hù)提供了更大市場(chǎng)選擇機會(huì )?；タ刹僮餍允菦Q定某一通信技術(shù)能否被廣大自動(dòng)化設備制造商和用戶(hù)接受，并進(jìn)行大面積應用的關(guān)鍵。
· 網(wǎng)絡(luò )生存性。所謂網(wǎng)絡(luò )生存性，是指以太網(wǎng)應用于工業(yè)現場(chǎng)控制時(shí)，必須具備較強的網(wǎng)絡(luò )可用性。任何一個(gè)系統組件發(fā)生故障，不管它是否是硬件，都會(huì )導致操作系統、網(wǎng)絡(luò )、控制器和應用程序以致于整個(gè)系統的癱瘓，則說(shuō)明該系統的網(wǎng)絡(luò )生存能力很弱。因此，為了使網(wǎng)絡(luò )正常運行時(shí)間最大化，需要以可靠的技術(shù)來(lái)保證在網(wǎng)絡(luò )維護和改進(jìn)時(shí)，系統不發(fā)生中斷。
· 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)。在生產(chǎn)過(guò)程中，很多工業(yè)現場(chǎng)不可避免地存在易燃、易爆與有毒等場(chǎng)合。對應用于這些工業(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技術(shù)措施來(lái)保證工業(yè)現場(chǎng)的安全。
現場(chǎng)設備的防爆技術(shù)包括兩類(lèi)，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔離型技術(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)。
以太網(wǎng)系統的本質(zhì)安全包括工業(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現場(chǎng)設備。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60～70mA（5V工作電源），因此相對而言，基于以太網(wǎng)的低功耗現場(chǎng)設備和交換機的設計比較困難。
· 遠距離傳輸。在工業(yè)現場(chǎng)，由于生產(chǎn)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(shí)設備與設備之間的距離長(cháng)達數公里。對于這種情況，如遵照傳輸的方法設計以太網(wǎng)，使用10Base-T雙絞線(xiàn)就顯得遠遠不夠，而使用10Base-2或10Base-5同軸電纜則不能進(jìn)行全雙工通信，而且布線(xiàn)成本也比較高。同樣，如果在現場(chǎng)都采用光纖傳輸介質(zhì)，布線(xiàn)成本可能比較高，但隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)技術(shù)的大范圍應用，光纖成本肯定會(huì )大大降低。
5、結束語(yǔ)
以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )架構。毫無(wú)疑問(wèn)，以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )方面扮演著(zhù)一個(gè)非常重要的角色。根據對三大汽車(chē)制造商的最新研究結果，以太網(wǎng)至少可以適用于70％的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，這意味著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)有著(zhù)非常廣泛的前景。
控制技術(shù)已從集中控制系統發(fā)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(jìn)。由于交換式以太控制網(wǎng)絡(luò )具有的高帶寬和延遲確定性雙重優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現分布式智能提供了通信網(wǎng)絡(luò )平臺，引發(fā)了自動(dòng)化體系結構的一場(chǎng)革命。這表明分布式智能是自動(dòng)化必然的未來(lái)，而交換式以太控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)功不可沒(méi)。
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