以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用綜述

在TCP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議是IP(Internet Protocol)，同時還提供ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等協(xié)議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求(即組裝IP數(shù)據(jù)報并發(fā)往網(wǎng)絡(luò)接口)、處理輸入數(shù)據(jù)報、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報或從數(shù)據(jù)報中抽取分組、處理差錯與控制報文(包括處理路由、流量控制、擁塞控制等)。

傳輸層的功能是提供應(yīng)用程序間(端到端)的通信服務(wù)，它提供用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)和傳輸控制協(xié)議TCP(Transfer Control Protocol)兩個協(xié)議。UDP負(fù)責(zé)提供高效率的服務(wù)，用于傳送少量的報文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應(yīng)用程序需自己完成可靠性操作;TCP負(fù)責(zé)提供高可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，主要用于傳送大量報文，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?p>以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)為粗同軸電纜、細(xì)同軸電纜、雙絞線、光纖等，其最大優(yōu)點是簡單，經(jīng)濟(jì)實用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶歡迎。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有以下幾個方面的優(yōu)點:

(1) 兼容性好，有廣泛的技術(shù)支持

基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問題，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，如VB、Java、VC等。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展。

(2) 易于與Internet連接

以太網(wǎng)支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠在任何地方通過Internet對企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，能便捷地訪問遠(yuǎn)程系統(tǒng)，共享/訪問多數(shù)據(jù)庫。

(3) 成本低廉

采用以太網(wǎng)能降低成本，包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費用、維護(hù)費用及初期投資。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，硬件價格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有現(xiàn)場總線的十幾分之一，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價格還會進(jìn)一步下降。人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗，對其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用，在技術(shù)升級方面無需單獨的研究投入，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?p>由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)投入。并且，在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，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

(5) 通信速率高

目前以太網(wǎng)的通信速率為10M或100M，1000M、10G的快速以太網(wǎng)也開始應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多，以太網(wǎng)可以滿足對帶寬的更高要求。

4、以太網(wǎng)應(yīng)用于控制時存在的問題

但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò)，要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

(1) 存在實時性差，不確定性的問題

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制，各個節(jié)點采用BEB(Binary Exponential Back-off)算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)。通信時節(jié)點監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應(yīng)確定性，不能滿足工業(yè)過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

(2) 工業(yè)可靠性問題

以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強(qiáng)電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車間底層應(yīng)用，必須要解決可靠性的問題。

(3) 以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜

工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

(4) 以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)

(5) 安全性問題

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。沒有授權(quán)的用戶可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、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。

(6) 現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問題

上述這些問題中，實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。

5、工業(yè)以太網(wǎng)

一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)是專門為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計算機(jī)和商用計算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，需達(dá)到以下幾個方面的要求。

(1) 適應(yīng)性

包括機(jī)械特性(耐振動、耐沖擊)、環(huán)境特性(工作溫度要求為-40～+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水)、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 可靠性

由于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。

(3) 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)

對應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質(zhì)安全型兩類。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、造價低;可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實現(xiàn)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)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA(5V工作電源)，因此低功耗的現(xiàn)場設(shè)備(如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)設(shè)計難以實現(xiàn)。因此，在目前的技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。