以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)工業(yè)以太網(wǎng)通信的實時性

　　為滿足工業(yè)過程控制要求，工業(yè)以太網(wǎng)必須具有很高的實時性。但是，長期以來，Ethernet通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點和主要障礙之一，這里的“不確定”是指由CSMA/CD機制造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)和時延的“不可預(yù)測和再現(xiàn)”。

　　但隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加(10/100/1000Mbs)，沖突幾率大大減小，加之相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸趨于確定性;因而，有些國外自控專家認為：基于良好設(shè)計的以太網(wǎng)系統(tǒng)是確定性的實時通信系統(tǒng)。經(jīng)研究表明，經(jīng)過精心的設(shè)計，工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時間小于4ms，可滿足幾乎所有工業(yè)過程控制要求。在工業(yè)以太網(wǎng)中，實現(xiàn)實時性的機制主要包括如下幾個方面：交換式集線器、全雙工(Full-Duplex)通信模式、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)等等。

　　(2)工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量服務(wù)(QoS)

　　QoS是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制。在正常情況下并不需要QoS，但在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以為工業(yè)控制數(shù)據(jù)的實時通信提供一種保障機制;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS 能確保重要控制數(shù)據(jù)傳輸不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的高效運行。

　　擁有QoS的網(wǎng)絡(luò)是一種智能網(wǎng)絡(luò)，它可以區(qū)分實時-非實時數(shù)據(jù)。在工業(yè)以太網(wǎng)中，可以使用QoS識別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級的采樣數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，優(yōu)先得到處理并轉(zhuǎn)發(fā);而其它擁有較低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，如管理層的應(yīng)用類通信，則相對被延后。智能網(wǎng)絡(luò)還有能力制止對網(wǎng)絡(luò)的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元的終端等，這對于工業(yè)以太網(wǎng)的完全性提升有重要作用。為了實現(xiàn)這種智能，具有QoS的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包含三個過程： ①分類――具有QoS的網(wǎng)絡(luò)能夠識別哪種應(yīng)用產(chǎn)生哪種分組。沒有分類，網(wǎng)絡(luò)就不能確定對特殊分組要進行的處理。② 標(biāo)注化――在識別分組之后，要對它進行標(biāo)注，便于其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方便地識別這種數(shù)據(jù)。③優(yōu)先級――優(yōu)先級處理可以確保工業(yè)過程控制的采集數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生突發(fā)高負載時，仍能優(yōu)先得到轉(zhuǎn)發(fā)而不至于產(chǎn)生延遲。

　　(3)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存性

　　所謂網(wǎng)絡(luò)生存性，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制時，必須具備較強的網(wǎng)絡(luò)可用性，如果任何一個系統(tǒng)組件發(fā)生故障，都會導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序以至于整個系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力非常弱。工業(yè)以太網(wǎng)的生存性或高可用性包括可靠性、可恢復(fù)性、可管理型等三幾個方面的內(nèi)容。

　　在工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的可靠性非常重要，需要采取冗余設(shè)計，同時還必須有一個快速的故障探測和自恢復(fù)機制以保障網(wǎng)絡(luò)的可用性。首先CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，故障探測和自恢復(fù)機制必須是快速響應(yīng)的，如果網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時間過長，就不能保證網(wǎng)絡(luò)的實時性。其次，必須限制網(wǎng)絡(luò)故障的傳播，將其對其他傳輸設(shè)備和網(wǎng)段的影響最小化，即除故障點外，其它網(wǎng)段仍能正常工作。

　　在透明的交換式以太網(wǎng)中，故障探測和自恢復(fù)工作實際上就是在該層重新建立拓撲結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)交換機在MAC層的路由功能。目前普遍使用是IEEE802.1D標(biāo)準(zhǔn)。在局域網(wǎng)內(nèi)的交換機執(zhí)行了生成樹算法以后，會組成一個動態(tài)的生成樹拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)使局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個工作站之間不存在回路，以防止由此產(chǎn)生的局域網(wǎng)廣播風(fēng)暴，同時，生成樹算法還負責(zé)監(jiān)測物理拓撲結(jié)構(gòu)的變化，并能在拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之后建立新的生成樹。例如當(dāng)一個交換機出現(xiàn)故障或某一條鏈路斷了后，能提供一定的容錯能力而重新配置生成樹的拓撲結(jié)構(gòu)。交換機根據(jù)生成樹動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息來維護和更新MAC路由表，最終實現(xiàn)MAC層的路由。

　　(4)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全

　　以太網(wǎng)和TCP/IP的優(yōu)勢在于其在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及良好的開放性，同時也更容易受到自身技術(shù)缺點和人為的攻擊。對于工業(yè)以太網(wǎng)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，安全問題需考慮來自內(nèi)部和外部兩個方面，其安全功能需滿足：防范來自外部網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊，限制外部網(wǎng)絡(luò)非信任終端對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源的訪問，防止來自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的攻擊以及對控制域資源的非授權(quán)訪問，提供工程人員和設(shè)備供應(yīng)商遠程故障診斷和技術(shù)支持的保障機制。內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的安全主要是防止本地用戶對設(shè)備控制域系統(tǒng)的非法訪問，外網(wǎng)絡(luò)安全則是防止外部非法用戶訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的資源和非法向外傳遞內(nèi)部信息，保證企業(yè)內(nèi)外通信的保密性、完成性和有效性。

　　在工業(yè)以太網(wǎng)中可以采取的基本安全技術(shù)主要有三個方面，即加密技術(shù)、鑒別交換技術(shù)和訪問控制技術(shù)，防火墻技術(shù)就是訪問控制技術(shù)的一種具體體現(xiàn)。

　　(5)總線供電與安全防爆技術(shù)

　　所謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源?？偩€供電可以減少網(wǎng)絡(luò)線纜，降低安裝復(fù)雜性與費用，提高網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的易維護性。特別是在環(huán)境惡劣與危險場合，“總線供電”具有十分重要的意義。對現(xiàn)場設(shè)備的“總線供電”可采用以下方法：①將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設(shè)備端再將信號分離出來。②不改變以太網(wǎng)物理層協(xié)議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。第一種方法雖然可實現(xiàn)與FF等現(xiàn)場總線相一致的“一線二用”，但由于這種方法與傳統(tǒng)以太網(wǎng)在物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栐谛问缴弦巡灰恢?，?yīng)保證修改協(xié)議后的以太網(wǎng)在物理層上與傳統(tǒng)Ethernet兼容。

　　在易燃、易爆的場合，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技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。現(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)主要包括兩類，即隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質(zhì)安全型。以太網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)安全包括幾個方面，即工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備。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、七十毫安(5伏工作電源)，基于以太網(wǎng)的低功耗現(xiàn)場設(shè)備和交換機設(shè)計比較困難。相比較而言，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。即通過對以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的電火能量不會外泄，以保證系統(tǒng)使用的安全性。

　　(6)互可操作性

　　互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實現(xiàn)互換。要解決基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間的互可操作性問題，一種有效的方法就是在以太網(wǎng)+TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，同時可參IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層上增加用戶層，將工業(yè)控制中的功能塊FB(Function Block)進行標(biāo)準(zhǔn)化，通過規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)，并把它們組成為可在某個現(xiàn)場設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進程，便于實現(xiàn)不同制造商設(shè)備的混合組態(tài)與調(diào)用。