基于交換式工業(yè)以太網(wǎng)研究

0、引言

信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展正深刻地改變著人們的工作方式和生活方式，特別是對(duì)企業(yè)的信息化和自動(dòng)化發(fā)展也產(chǎn)生著巨大的影響。企業(yè)的信息化，能夠有效提高企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理質(zhì)量與效率，從而提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力與可持續(xù)發(fā)展能力。在企業(yè)信息化和自動(dòng)化領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的結(jié)合，孕育了控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生。企業(yè)信息化的發(fā)展，迫切需要一個(gè)開放的、統(tǒng)一的、有效的、并且具有較強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)來支撐。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，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。但足傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測(cè)（CSMA／CD）通訊方式，在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2－30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(zhǎng)期無法進(jìn)入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一。本文將對(duì)此以及其它工業(yè)以太網(wǎng)巾的關(guān)鍵技術(shù)作了一定的研究。

1、傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從總體結(jié)構(gòu)上來講，傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)可分為三個(gè)層次：管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：

圖1 傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

管理層、控制層、設(shè)備層三層各層功能如下：

● 管理層。主要是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)從監(jiān)控層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。管理層一般使川通用以太網(wǎng)，方便操作，并可連入外部網(wǎng)絡(luò)。

● 監(jiān)控層。從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計(jì)和下裝。監(jiān)控層的功能一般由上位計(jì)算機(jī)完成，一方面，它通過擴(kuò)展槽中網(wǎng)絡(luò)接口板與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信；另一方面，通過專門的現(xiàn)場(chǎng)總線接口（轉(zhuǎn)換器）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接。其關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)與底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)間的接口，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。監(jiān)控層除上述功能外，還為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制利遠(yuǎn)程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。

● 設(shè)備層。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，依照現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設(shè)汁，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制等各種功能；此外，通過智能轉(zhuǎn)換器對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)儀表電流電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償。

2、控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別與集成的必要性

控制剛絡(luò)技術(shù)源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與一般的信息網(wǎng)絡(luò)有很多共同點(diǎn)，但又有不同之處和獨(dú)特的地方。

由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)可靠性和實(shí)時(shí)性，所以，應(yīng)用于測(cè)量與控制的數(shù)據(jù)通信不同于一般電信網(wǎng)絡(luò)的通信，也不同于信息技術(shù)中一般計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信?？刂凭W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信以引發(fā)物質(zhì)或能盤的運(yùn)動(dòng)為最終目的。用于測(cè)量與控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點(diǎn)是：允許對(duì)實(shí)時(shí)的事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)通信，具有很高的數(shù)據(jù)完整性，在電磁干擾和有地電位差的情況下能正常工作，多使用專用的通信網(wǎng)絡(luò)等。

控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的具體不同如下：

① 控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)最基本的要求。一般來說，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.01－0.5s，制造自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.5－2.0s，信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間要求為2.0～6.0s。在信息網(wǎng)絡(luò)的大部分使用中實(shí)時(shí)性是可以忽略的。

② 控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有在高溫、潮濕、振動(dòng)、腐蝕，特別是電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾。在可燃和易爆場(chǎng)合，控制網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有本質(zhì)安全性能。

③ 在企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于分散的單一用戶要借助控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入某個(gè)系統(tǒng)，通信方式多使用廣播或組播方式：在信息網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)自主系統(tǒng)與另一個(gè)自主系統(tǒng)一般都建立一對(duì)一通信方式。

④ 控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容，即互操作性的問題。

目前，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般包含處理企業(yè)管理與決策信息的信息網(wǎng)絡(luò)和處理企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)控信息的控制網(wǎng)絡(luò)兩部分。信息網(wǎng)絡(luò)一般處于企業(yè)中上層，處理大量的、變化的、多樣的信息，具有高速、綜合的特征?？刂凭W(wǎng)絡(luò)主要位于企業(yè)中下層，處理實(shí)時(shí)的、現(xiàn)場(chǎng)的信息，具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性強(qiáng)、安全可靠、成本低廉等特征。

由此可見控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成十分必要，將為企業(yè)計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化CIPA（Computer Integrated Plant Automation）與信息化創(chuàng)造有利的條什。主要體現(xiàn)在下面幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的信息集成，建立綜合實(shí)時(shí)信息庫，為企業(yè)優(yōu)化控制、生產(chǎn)調(diào)度、計(jì)劃決策提供依據(jù)。
（2）建立分布式數(shù)據(jù)庫管理功能，保證數(shù)據(jù)一致性、完整性和可操作性。
（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度及控制網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程診斷。
（4）實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程軟件維護(hù)與更新。

3、交換式工業(yè)以太網(wǎng)

基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)的采用正是為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，克服以前各種控制系統(tǒng)的不足。以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，其主要優(yōu)勢(shì)在于它能提供一個(gè)開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，使企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層實(shí)現(xiàn)全面的無縫信息集成；解決由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上的鴻溝導(dǎo)致“自動(dòng)化孤島”的問題。

針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，結(jié)合商用網(wǎng)絡(luò)成熟的設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的交換式工業(yè)以太網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)完全基于Ethernet－TCP／IP的一體化設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 分布式以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以以太網(wǎng)交換機(jī)為中心，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器。以太網(wǎng)交換機(jī)有10Mbps，25Mbps和100Mbps等寬帶端口，一般通過100Mbps網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口連到服務(wù)器，以滿足工業(yè)PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務(wù)器時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)寬帶的要求。