摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）之后產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。通過簡要介紹工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程，并詳細(xì)論述工業(yè)以太網(wǎng)的特點，提出了工業(yè)以太網(wǎng)以其全開放的特點必然會受到廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合的觀點。
關(guān)鍵字：工業(yè)以太網(wǎng),全開放,無縫整合,CSMA/CD,TCP/IP
0 前言
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ).隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化要求的不斷提高，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所擔(dān)負(fù)的工作越來越重。與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)不同，工業(yè)控制領(lǐng)域需要一種高速廉價、實時性和開放性好、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高的網(wǎng)絡(luò)。
以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢。近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)性能要求越來越高,以太網(wǎng)正逐步進入工業(yè)控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)的開放性使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合方面具有無可比擬的優(yōu)勢。
1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是伴隨著控制系統(tǒng)的變革而發(fā)展起來的。控制系統(tǒng)經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和近幾年流行起來的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)等六個階段。
對于基地式氣動儀表控制系統(tǒng)和電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)只是驅(qū)動方式的改變，兩類控制系統(tǒng)只能對單一回路進行控制，而各個回路之間不能夠交換信息，每一個回路是一個獨立的信息孤島，并不屬于網(wǎng)絡(luò)的范疇。
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機被引入控制系統(tǒng)，它不僅能夠完成對數(shù)據(jù)的處理操作，更主要的是可以直接根據(jù)輸入的給定值、過程變量和過程中其他的測定值，通過PID或其它高級控制算法，得出它的操作變量即輸出值送給執(zhí)行機構(gòu)完成控制功能。這就是我們所說的計算機集中控制系統(tǒng)（CCS）的控制思想。集中控制系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單，直接面向控制對象，尚未形成網(wǎng)絡(luò)體系。盡管將計算機引入控制系統(tǒng)使得一些高級控制算法得以實現(xiàn)，然而，隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化，軟件發(fā)面需要很大的開銷，并且復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的升級能力較弱;計算機工作是需要集中控制幾十個，甚至上百個回路，這就使得系統(tǒng)的實時性、可靠性得不到保證。
圖1 集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
真正意義的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系是七十年代出現(xiàn)的第二代計算機控制系統(tǒng):分散型控制系統(tǒng)DCS（也稱集散控制系統(tǒng)）。它是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，DCS的特點是“集中管理，分散控制”，這些系統(tǒng)完整地體現(xiàn)了分散化和分層化的思想。目前所使用的DCS有環(huán)形、總線形和分級式幾種,其中分級式應(yīng)用最為普遍，如圖1所示。然而，集散控制系統(tǒng)也有其明顯的缺點：首先，結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系，現(xiàn)場設(shè)備之間相互通信必須經(jīng)過主機，使得主機負(fù)荷重、效率低，且主機一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會崩潰;其次，它還是用大量的模擬信號，很多現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4—20mA電流模擬信號，傳輸可靠性差，不易于數(shù)字化處理;第三，各系統(tǒng)設(shè)計廠家的DCS制定獨立的標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議不開放，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用，不利于現(xiàn)代跨國公司的進一步發(fā)展。
為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進一步滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要,現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運而生,它將系統(tǒng)的控制功能進一步下放，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實際上是一種全數(shù)字化、全分散、可互操作、開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他專門用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成，如圖1所示。但是FCS也有許多瓶頸問題：首先，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)難種類過多，且各有自己的優(yōu)勢和適用范圍，用戶如何取舍是比較棘手的問題;其次，控制系統(tǒng)中如果有多種現(xiàn)場總線同時存在，用戶希望將工業(yè)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫集成，真正實現(xiàn)企業(yè)級管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)會變得相對復(fù)雜;另外在本質(zhì)安全、系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面存在一些技術(shù)瓶頸或不符合現(xiàn)代企業(yè)對信息的要求。
事實上，各種控制系統(tǒng)存在缺點的問題最根本原因在于控制系統(tǒng)德的開放性差或者開放性是有條件的，不徹底的。為了解決該問題而出現(xiàn)了以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，下面對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進行詳細(xì)介紹。
2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的特點
以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢,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(tǒng)中被廣泛采用。近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。
圖2 傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)
以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢非常明顯：1Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián);2以太網(wǎng)能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示;3軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇;4通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復(fù)雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。5可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個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，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。
以太網(wǎng)進人工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣也存在一些問題，其中主要的是：1實時性問題：以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實時的。一條總線上掛多個節(jié)點平等競爭總線，等待總線空閑。這種方式很難滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崟r性的要求。這也是以太網(wǎng)技術(shù)進入工控領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸;2對工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性：以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計的，需要使抗干擾能力、外觀設(shè)計等符合工業(yè)現(xiàn)場的要求。3適用于工業(yè)自動化控制的應(yīng)用層協(xié)議，目前信息網(wǎng)絡(luò)中定義的應(yīng)用層協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信。因此，還需定義統(tǒng)一的應(yīng)用層規(guī)范。 4本質(zhì)安全和網(wǎng)絡(luò)安全：工業(yè)以太網(wǎng)如果用在易燃易爆的危險工作場所，必須考慮本質(zhì)安全問題。另外，工業(yè)以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。5QOS（Quality of Service）問題:隨著技術(shù)的進步,在工廠控制底層的信號已不局限在單純的數(shù)字和模擬量上,而是包括Audio及低分辨的Video信號,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)不同用戶需求及不同的內(nèi)容適度地保證實時性的要求。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以上出現(xiàn)的問題已經(jīng)完全或部分得到解決。1近些年來出現(xiàn)了快速交換式以太網(wǎng)技術(shù),采用全雙工通信,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級機制,保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實時性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率;2對于不同工業(yè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商采取了專門的抗干擾措施，使其更加符合工業(yè)需求;3在應(yīng)用層協(xié)議方面用戶可以根據(jù)需要對TCP/IP協(xié)議棧進行增減，另外還需要制定更加符合工業(yè)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;4設(shè)備生產(chǎn)商提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的器件，使用密封性好，堅固、抗震動的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件用來解決本質(zhì)安全問題;采用用戶密碼、數(shù)據(jù)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)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究;5隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提高和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的進一步完善，QOS問題也得到了解決。
3 結(jié)論
綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比較具有很大的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在多種工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著集成電路、工業(yè)以太網(wǎng)和嵌入式Internet技術(shù)研究的進一步深入，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時代將會很快到來，并成為最具開放性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這種新型的網(wǎng)絡(luò)體系，與現(xiàn)場總線在以太網(wǎng)方面的發(fā)展相呼應(yīng)，對傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個變革，必將為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來新的天地。但是，在某些領(lǐng)域例如：汽車控制系統(tǒng)、數(shù)控機床等，由于其工作條件惡劣、實時性、可靠性要求高，均不適合工業(yè)以太網(wǎng)。從目前趨勢來看,工業(yè)以太網(wǎng)進入現(xiàn)場控制級毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來,它還難以完全取代現(xiàn)場總線,作為實時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。在很長的一段時期內(nèi)已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的情況是發(fā)展一種多種網(wǎng)絡(luò)并存的混合式控制系統(tǒng)。
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