基于交換式工業(yè)以太網(wǎng)研究
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監(jiān)控單元完成對整個控制過程的監(jiān)控，參數(shù)設(shè)定等功能，如果要求監(jiān)控工作站具有多媒體功能，可接入25Mbps端口。
現(xiàn)場設(shè)備可以是一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)、PLC、嵌入式控制系統(tǒng)等。一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或交換式集線器；現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)互聯(lián)；PLC的接入有兩種情況，帶有以太網(wǎng)卡的PLC可通過以太網(wǎng)卡接入交換機(jī)，普通不帶以太網(wǎng)卡的PLC要通過485／232轉(zhuǎn)換及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；嵌入式控制系統(tǒng)可通過嵌入式控制器自帶的以太網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，可采用分段結(jié)構(gòu)，連成更大的網(wǎng)絡(luò)，每一個交換機(jī)及控制設(shè)備構(gòu)成相對獨(dú)立的控制子網(wǎng)。若干個控制子網(wǎng)互聯(lián)組成規(guī)模較大的控制網(wǎng)絡(luò)。
該控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
（1）分布式對等功能單元
控制系統(tǒng)按功能分為管理層、控制層兩層。管理層與傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的管理層無重大區(qū)別?？刂茖雍喜⒘嗽械谋O(jiān)控層和設(shè)備層，取而代之的是根據(jù)功能和部門劃分的若干“單元”，各單元之間關(guān)系對等，單元內(nèi)部是相對獨(dú)立的實(shí)時控制區(qū)域?？刂乒δ芟路诺礁鳜F(xiàn)場控制單元的現(xiàn)場智能儀表和設(shè)備中，做到徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性。
（2）分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
整個網(wǎng)絡(luò)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，分為核心層、分布層二層。
核心層：為數(shù)據(jù)交換巾心，分布層設(shè)備之間的通信，其數(shù)據(jù)都通過該層進(jìn)行高速交換。核心交換設(shè)備為三層高速交換機(jī)；創(chuàng)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路山表，實(shí)現(xiàn)不同功能單元或虛擬局域網(wǎng)子網(wǎng)之間的路由；實(shí)施訪問控制機(jī)制。
分布層：采用二層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各功能單元內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，交換機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備或下游交換機(jī)采用點(diǎn)－點(diǎn)／全雙工方式連接，使單元內(nèi)部主要設(shè)備都能獨(dú)享帶寬，從而保證系統(tǒng)通信實(shí)時性。
與扁平式網(wǎng)絡(luò)相比，分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很大優(yōu)勢：（a）能有效分割網(wǎng)絡(luò)，成為較小的廣播域和沖突域，為終端設(shè)備提供更大的帶寬。（b）分層式結(jié)構(gòu)提高了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，當(dāng)加入新的功能單元時，不會降低網(wǎng)絡(luò)的性能。（c）有利于故障排除，并限制故障影響。（d）使各功能單元成為對等關(guān)系，組成分布式通信系統(tǒng)。
（3）更高的開放性
基于Ethernet-TCP／IP的工業(yè)以太網(wǎng)，管理層和控制層使用相同的通信協(xié)議。本質(zhì)上，管理單元與現(xiàn)場控制單元及監(jiān)控單元可自由通訊，使上下層之間實(shí)現(xiàn)“無縫”集成；如果必要，管理層的決策單元可以直接獲得現(xiàn)場控制單元的數(shù)據(jù)，有利于提高綜合自動化決策速度；與此同時，管理層與控制層之間建立必要的訪問控制機(jī)制，保護(hù)現(xiàn)場控制單元和敏感部門的安全和通信的實(shí)時性。
由于采用得到廣泛應(yīng)用的開放標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議），各廠家的設(shè)備只要采用相同的協(xié)議，或通過智能轉(zhuǎn)換器，就能方便地集成在同一個系統(tǒng)中，提高了互連性和互可操作性，從而消除了不同自動化系統(tǒng)之間的“信息孤島”。
（4）高傳輸速率
一般來說，骨干鏈路采用100Mbps傳輸率，設(shè)備及終端接入鏈路使用10／100Mbps傳輸率；另外，分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可將功能單元的通信數(shù)據(jù)盡量限制在本地，節(jié)約了骨干鏈路帶寬，也減少了單元之間的廣播，提高了終端的帶寬。
4、交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)
· 確保通信實(shí)時性。長期以來，以太網(wǎng)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(diǎn)和主要障礙之一，而導(dǎo)致不確定性的主要原因是以太網(wǎng)訪問傳輸媒體的方法，這種方法容易產(chǎn)生“捕獲效應(yīng)”。交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但極大地提高了信道地利用率，更重要的是它能夠屏蔽傳統(tǒng)共享式以太網(wǎng)的時延不確定性，為它應(yīng)用于工業(yè)控制清除了主要障礙。然而，當(dāng)交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大后，又出現(xiàn)了環(huán)路和廣播風(fēng)暴的問題。
· 環(huán)路和廣播風(fēng)暴的解決方案。工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，很難保證其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不包含閉合環(huán)路。但可以采用動態(tài)生成樹算法計(jì)算交換機(jī)的路由，從而避免環(huán)路對數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)路由造成的影響，同時增加了交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)的健壯性和組網(wǎng)的方便性。
· 對網(wǎng)絡(luò)安全性的支持。目前交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)把傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層）合成一體，同時引入了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全問題。除了引進(jìn)防火墻機(jī)制外，網(wǎng)絡(luò)小身對安全提供兩方面的支持：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問控制和數(shù)據(jù)訪問控制。
· 總線供電。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。采用總線供電可以減少網(wǎng)絡(luò)線纜，降低安裝復(fù)雜性與費(fèi)用，提高網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的易維護(hù)性。特別是在惡劣與危險(xiǎn)的場合，總線供電具有十分重要的意義。由于以太網(wǎng)以前主要用于商業(yè)計(jì)算機(jī)通信，一般的設(shè)備或工作站（如計(jì)算機(jī)）本身已具有電源供電，沒有總線供電的要求，因此傳輸媒體只用于傳輸信息。
· 互操作性?；ゲ僮餍允侵高B接到同一網(wǎng)絡(luò)上的不同廠家的設(shè)備之間通過同一的應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換。作為開放系統(tǒng)特點(diǎn)之一，互操作性向用戶保證了來自不同廠商的設(shè)備可以相互通信，并且可以在多廠商產(chǎn)品的集成環(huán)境中共同工作。這一方面提高了系統(tǒng)的質(zhì)里，另一方面為用戶提供了更大市場選擇機(jī)會。互可操作性是決定某一通信技術(shù)能否被廣大自動化設(shè)備制造商和用戶接受，并進(jìn)行大面積應(yīng)用的關(guān)鍵。
· 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(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可用性。任何一個系統(tǒng)組件發(fā)生故障，不管它是否是硬件，都會導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序以致于整個系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力很弱。因此，為了使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時間最大化，需要以可靠的技術(shù)來保證在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和改進(jìn)時，系統(tǒng)不發(fā)生中斷。
· 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)。在生產(chǎn)過程中，很多工業(yè)現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆與有毒等場合。對應(yīng)用于這些工業(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。
現(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型。與隔離型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)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(diǎn)：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(shí)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)。
以太網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)安全包括工業(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60～70mA（5V工作電源），因此相對而言，基于以太網(wǎng)的低功耗現(xiàn)場設(shè)備和交換機(jī)的設(shè)計(jì)比較困難。
· 遠(yuǎn)距離傳輸。在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)裝置一般都比較復(fù)雜，各種測量和控制儀表的空間分布比較分散，彼此間的距離比較遠(yuǎn)，有時設(shè)備與設(shè)備之間的距離長達(dá)數(shù)公里。對于這種情況，如遵照傳輸?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)以太網(wǎng)，使用10Base-T雙絞線就顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而使用10Base-2或10Base-5同軸電纜則不能進(jìn)行全雙工通信，而且布線成本也比較高。同樣，如果在現(xiàn)場都采用光纖傳輸介質(zhì)，布線成本可能比較高，但隨著互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)技術(shù)的大范圍應(yīng)用，光纖成本肯定會大大降低。
5、結(jié)束語
以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。毫無疑問，以太網(wǎng)在工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)方面扮演著一個非常重要的角色。根據(jù)對三大汽車制造商的最新研究結(jié)果，以太網(wǎng)至少可以適用于70％的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，這意味著工業(yè)以太網(wǎng)有著非常廣泛的前景。
控制技術(shù)已從集中控制系統(tǒng)發(fā)展到集散控制系統(tǒng)。目前正向第三代控制系統(tǒng)－分布式智能（Distributed Intelligence）邁進(jìn)。由于交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)具有的高帶寬和延遲確定性雙重優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)分布式智能提供了通信網(wǎng)絡(luò)平臺，引發(fā)了自動化體系結(jié)構(gòu)的一場革命。這表明分布式智能是自動化必然的未來，而交換式以太控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功不可沒。
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