基于交換式工業(yè)以太網(wǎng)研究

0、引言

信息網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展正深刻地改變著人們的工作方式和生活方式，特別是對企業(yè)的信息化和自動化發(fā)展也產(chǎn)生著巨大的影響。企業(yè)的信息化，能夠有效提高企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理質(zhì)量與效率，從而提高企業(yè)的市場競爭能力與可持續(xù)發(fā)展能力。在企業(yè)信息化和自動化領域，計算機技術、控制技術、網(wǎng)絡與信息技術的結合，孕育了控制網(wǎng)絡技術的產(chǎn)生。企業(yè)信息化的發(fā)展，迫切需要一個開放的、統(tǒng)一的、有效的、并且具有較強可持續(xù)發(fā)展能力的網(wǎng)絡通信平臺來支撐。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，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但足傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA／CD）通訊方式，在實時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(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)長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。本文將對此以及其它工業(yè)以太網(wǎng)巾的關鍵技術作了一定的研究。

1、傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡結構

從總體結構上來講，傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡可分為三個層次：管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場設備層。其結構示意圖如下所示：

圖1 傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡

管理層、控制層、設備層三層各層功能如下：

● 管理層。主要是辦公自動化系統(tǒng)，同時從監(jiān)控層提取有關生產(chǎn)數(shù)據(jù)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。

● 監(jiān)控層。從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)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(jiān)控層的功能一般由上位計算機完成，一方面，它通過擴展槽中網(wǎng)絡接口板與現(xiàn)場總線相連，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；另一方面，通過專門的現(xiàn)場總線接口（轉換器）實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接。其關鍵技術是以太網(wǎng)與底層現(xiàn)場設備網(wǎng)絡間的接口，主要負責現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。監(jiān)控層除上述功能外，還為實現(xiàn)先進控制利遠程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。

● 設備層?，F(xiàn)場設備以網(wǎng)絡節(jié)點的形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上，依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標準，設備采用功能塊的結構，通過組態(tài)設汁，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能；此外，通過智能轉換器對傳統(tǒng)檢測儀表電流電壓進行數(shù)字轉換和補償。

2、控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的區(qū)別與集成的必要性

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

由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強調(diào)可靠性和實時性，所以，應用于測量與控制的數(shù)據(jù)通信不同于一般電信網(wǎng)絡的通信，也不同于信息技術中一般計算機網(wǎng)絡的通信。控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信以引發(fā)物質(zhì)或能盤的運動為最終目的。用于測量與控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點是：允許對實時的事件進行驅(qū)動通信，具有很高的數(shù)據(jù)完整性，在電磁干擾和有地電位差的情況下能正常工作，多使用專用的通信網(wǎng)絡等。

控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的具體不同如下：

① 控制網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應的實時性是控制系統(tǒng)最基本的要求。一般來說，過程控制系統(tǒng)的響應時間要求為0.01－0.5s，制造自動化系統(tǒng)的響應時間要求為0.5－2.0s，信息網(wǎng)絡的響應時間要求為2.0～6.0s。在信息網(wǎng)絡的大部分使用中實時性是可以忽略的。

② 控制網(wǎng)絡強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性。控制網(wǎng)絡應具有在高溫、潮濕、振動、腐蝕，特別是電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長時間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾。在可燃和易爆場合，控制網(wǎng)絡還應具有本質(zhì)安全性能。

③ 在企業(yè)自動化系統(tǒng)中，由于分散的單一用戶要借助控制網(wǎng)絡進入某個系統(tǒng)，通信方式多使用廣播或組播方式：在信息網(wǎng)絡中某個自主系統(tǒng)與另一個自主系統(tǒng)一般都建立一對一通信方式。

④ 控制網(wǎng)絡必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡中相互兼容，即互操作性的問題。

目前，企業(yè)網(wǎng)絡一般包含處理企業(yè)管理與決策信息的信息網(wǎng)絡和處理企業(yè)現(xiàn)場實時測控信息的控制網(wǎng)絡兩部分。信息網(wǎng)絡一般處于企業(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)絡主要位于企業(yè)中下層，處理實時的、現(xiàn)場的信息，具有協(xié)議簡單、容錯性強、安全可靠、成本低廉等特征。

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

（1）實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的信息集成，建立綜合實時信息庫，為企業(yè)優(yōu)化控制、生產(chǎn)調(diào)度、計劃決策提供依據(jù)。
（2）建立分布式數(shù)據(jù)庫管理功能，保證數(shù)據(jù)一致性、完整性和可操作性。
（3）實現(xiàn)對控制網(wǎng)絡工作的遠程監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度及控制網(wǎng)絡的遠程診斷。
（4）實現(xiàn)控制網(wǎng)絡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(tǒng)的采用正是為了能夠更好地實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成，克服以前各種控制系統(tǒng)的不足。以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，其主要優(yōu)勢在于它能提供一個開放的基礎構架，使企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層實現(xiàn)全面的無縫信息集成；解決由于網(wǎng)絡協(xié)議上的鴻溝導致“自動化孤島”的問題。

針對工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，結合商用網(wǎng)絡成熟的設計方法，本文設計了一個結構化的交換式工業(yè)以太網(wǎng)，整個系統(tǒng)完全基于Ethernet－TCP／IP的一體化設計。其系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示。

圖2 分布式以太網(wǎng)結構示意圖

整個網(wǎng)絡以以太網(wǎng)交換機為中心，包括數(shù)據(jù)庫服務器、文件服務器。以太網(wǎng)交換機有10Mbps，25Mbps和100Mbps等寬帶端口，一般通過100Mbps網(wǎng)絡交換機端口連到服務器，以滿足工業(yè)PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務器時對網(wǎng)絡寬帶的要求。