以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用綜述

1、引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，實(shí)際應(yīng)用對控制系統(tǒng)的要求越來越高。在20世紀(jì)50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨后是在70～80年代，集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)的出現(xiàn)，把大量分散的單回路測控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)回路調(diào)節(jié)、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等多種功能，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。

DCS一般由操作站級、過程控制級和現(xiàn)場儀表三級組成，其特點(diǎn)是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個(gè)局部的不可靠而造成對整個(gè)系統(tǒng)的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主流。但DCS的結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系，底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過主機(jī)，從而造成主機(jī)負(fù)荷過重，效率低下，并且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會“癱瘓”。而且DCS是一種數(shù)字—模擬混合系統(tǒng)，現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議封閉，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用。

進(jìn)入90年代，具有數(shù)字化的通信方式、全分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高度的環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)的現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉(zhuǎn)入現(xiàn)場智能儀表，而在此基礎(chǔ)上形成的新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層、控制層和信息層。采用了現(xiàn)場總線技術(shù)使控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備成為可能，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不僅是通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。FCS正在走向取代DCS并推動著工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍。

2、現(xiàn)場總線應(yīng)用中的問題

2.1 標(biāo)準(zhǔn)問題

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題有待解決，其中最突出的問題就是缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。2000年初IEC公布的IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生了H1(FF)、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE(FF)、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等8種IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)子集。IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)制定的結(jié)局表明，在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，將出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線并存的局面，并導(dǎo)致控制網(wǎng)段的系統(tǒng)集成與信息集成面臨困難。無論是最終用戶還是工程集成商也包括制造商，都在尋求高性能、低成本的解決方案。8種類型的現(xiàn)場總線采用不同的通信協(xié)議，要實(shí)現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現(xiàn)場總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域，如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對象，將不同層次的現(xiàn)場總線組合使用，使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場總線，對用戶來說，仍然是比較棘手的問題。

2.2 系統(tǒng)的集成問題

在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)大的系統(tǒng)很可能采用多種的現(xiàn)場總線，特別是中國那些高速成長的終端用戶，在企業(yè)的不同發(fā)展階段和國際范圍的跨國制造裝備采購幾乎不可能統(tǒng)一技術(shù)前沿的現(xiàn)場總線。如何把企業(yè)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與管理層的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫地集成，從而使整個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)管控一體化，顯得十分關(guān)鍵?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)，不僅要考慮各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的距離，還要考慮現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動情況等。由于智能化現(xiàn)場儀表的功能很強(qiáng)，因此許多儀表會有同樣的功能塊，組態(tài)時(shí)要仔細(xì)考慮功能塊的選擇，使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動最小化。同時(shí)通信參數(shù)的組態(tài)也很重要，要在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡。

2.3 存在技術(shù)瓶頸

現(xiàn)場總線在應(yīng)用中還存在一些技術(shù)瓶頸問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1) 當(dāng)總線電纜斷開時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)有可能癱瘓。用戶希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低，但不能崩潰，這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場總線不能保證。

(2) 本安防爆理論的制約?，F(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量。這就是限制了現(xiàn)場總線節(jié)省電纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。

(3) 系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過分復(fù)雜。現(xiàn)場總線的組態(tài)參數(shù)很多，不容易掌握，但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞，對系統(tǒng)性能影響很大。

因此，采用一種統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)對于現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴(kuò)展性和兼容性的問題，業(yè)內(nèi)人士把目光轉(zhuǎn)移到了在商用局域網(wǎng)中大獲成功的具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬件資源豐富、兼容性好、靈活性高、易于與Internet集成、支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)。

3、以太網(wǎng)與TCP/IP

以太網(wǎng)(Ethernet)最早來源于Xerox公司于1973年建造的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種總線式局域網(wǎng)，以基帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，采用CSMA/CD協(xié)議。Xerox公司建造的以太網(wǎng)非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1985年，IEEE802委員會吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行了修改。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只描述了使用50歐同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸率為10Mbps的總線局域網(wǎng)，而且以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括ISO數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的全部內(nèi)容;而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)描述了運(yùn)行在各種介質(zhì)上的、數(shù)據(jù)傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)，而且IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)只定義了ISO參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層(即介質(zhì)訪問控制MAC子層)和物理層，而數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。該規(guī)范規(guī)定采用載波偵聽多路訪問/沖突(碰撞)檢測CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，信號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。

按照ISO的OSI七層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng)。以太網(wǎng)在成為數(shù)據(jù)鏈路和物理層的協(xié)議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來國際互連網(wǎng)采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協(xié)議組放在一起，稱為以太網(wǎng)技術(shù); TCP/IP的簡單實(shí)用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動化領(lǐng)域內(nèi)，而且在各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開始向現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)延伸。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎(chǔ)的TCP/IP協(xié)議簇。