摘要：近些年來(lái),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(lái)越高,以太網(wǎng)正逐步進(jìn)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(kāi)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(wú)縫整合方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
前言
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(dòng)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(lái)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(jià)、實(shí)時(shí)性和開(kāi)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(kāi)放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢(shì)。近些年來(lái),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(lái)越高,以太網(wǎng)正逐步進(jìn)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(kāi)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(wú)縫整合方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
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(lái)的?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)歷了基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)和近幾年流行起來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)等六個(gè)階段。
對(duì)于基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)和電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)只是驅(qū)動(dòng)方式的改變，兩類(lèi)控制系統(tǒng)只能對(duì)單一回路進(jìn)行控制，而各個(gè)回路之間不能夠交換信息，每一個(gè)回路是一個(gè)獨(dú)立的信息孤島，并不屬于網(wǎng)絡(luò)的范疇。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被引入控制系統(tǒng)，它不僅能夠完成對(duì)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(guò)程變量和過(guò)程中其他的測(cè)定值，通過(guò)PID或其它高級(jí)控制算法，得出它的操作變量即輸出值送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。這就是我們所說(shuō)的計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單，直接面向控制對(duì)象，尚未形成網(wǎng)絡(luò)體系。盡管將計(jì)算機(jī)引入控制系統(tǒng)使得一些高級(jí)控制算法得以實(shí)現(xiàn)，然而，隨著生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜化，軟件發(fā)面需要很大的開(kāi)銷(xiāo)，并且復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的升級(jí)能力較弱;計(jì)算機(jī)工作是需要集中控制幾十個(gè)，甚至上百個(gè)回路，這就使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性得不到保證。
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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng):分散型控制系統(tǒng)DCS(也稱(chēng)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(lái)的，DCS的特點(diǎn)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(jí)式幾種,其中分級(jí)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(diǎn)：首先，結(jié)構(gòu)是多級(jí)主從關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間相互通信必須經(jīng)過(guò)主機(jī)，使得主機(jī)負(fù)荷重、效率低，且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰;其次，它還是用大量的模擬信號(hào)，很多現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然使用傳統(tǒng)的4—20mA電流模擬信號(hào)，傳輸可靠性差，不易于數(shù)字化處理;第三，各系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠家的DCS制定獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議不開(kāi)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(guó)公司的進(jìn)一步發(fā)展。
為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它將系統(tǒng)的控制功能進(jìn)一步下放，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一種全數(shù)字化、全分散、可互操作、開(kāi)放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他專(zhuān)門(mén)用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)，是現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題：首先，現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)難種類(lèi)過(guò)多，且各有自己的優(yōu)勢(shì)和適用范圍，用戶(hù)如何取舍是比較棘手的問(wèn)題;其次，控制系統(tǒng)中如果有多種現(xiàn)場(chǎng)總線同時(shí)存在，用戶(hù)希望將工業(yè)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)會(huì)變得相對(duì)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(duì)信息的要求。
事實(shí)上，各種控制系統(tǒng)存在缺點(diǎn)的問(wèn)題最根本原因在于控制系統(tǒng)德的開(kāi)放性差或者開(kāi)放性是有條件的，不徹底的。為了解決該問(wèn)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(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)
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(shì),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(lái),隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進(jìn)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(dòng)化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開(kāi)放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。
以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：1Ethernet是全開(kāi)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(shí)現(xiàn)互聯(lián);2以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶(hù)選擇;4通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對(duì)信息量的需求也越來(lái)越大，有時(shí)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(kāi)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(chǎng)總線快很多。5可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?，在這信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴(lài)于一個(gè)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(jìn)人工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣也存在一些問(wèn)題，其中主要的是：1實(shí)時(shí)性問(wèn)題：以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，其本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的。一條總線上掛多個(gè)節(jié)點(diǎn)平等競(jìng)爭(zhēng)總線，等待總線空閑。這種方式很難滿(mǎn)足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求。這也是以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工控領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸;2對(duì)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(jì)的，需要使抗干擾能力、外觀設(shè)計(jì)等符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。3適用于工業(yè)自動(dòng)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(guò)程控制領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)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(xiǎn)工作場(chǎng)所，必須考慮本質(zhì)安全問(wèn)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(huì)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(wèn)題:隨著技術(shù)的進(jìn)步,在工廠控制底層的信號(hào)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(hào),網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)不同用戶(hù)需求及不同的內(nèi)容適度地保證實(shí)時(shí)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(wèn)題已經(jīng)完全或部分得到解決。1近些年來(lái)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(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制,保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實(shí)時(shí)性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率;2對(duì)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(zhuān)門(mén)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(hù)可以根據(jù)需要對(duì)TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)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(jiān)固、抗震動(dòng)的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件用來(lái)解決本質(zhì)安全問(wèn)題;采用用戶(hù)密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理，但針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)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(jìn)一步完善，QOS問(wèn)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(shì)，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(jìn)一步深入，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)代將會(huì)很快到來(lái)，并成為最具開(kāi)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(chǎng)總線在以太網(wǎng)方面的發(fā)展相呼應(yīng)，對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)變革，必將為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來(lái)新的天地。但是，在某些領(lǐng)域例如：汽車(chē)控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等，由于其工作條件惡劣、實(shí)時(shí)性、可靠性要求高，均不適合工業(yè)以太網(wǎng)。從目前趨勢(shì)來(lái)看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來(lái),它還難以完全取代現(xiàn)場(chǎng)總線,作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)已有的現(xiàn)場(chǎng)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)。
（轉(zhuǎn)載）
