當(dāng)今自動(dòng)化控制的熱點(diǎn)—工業(yè)以太網(wǎng)

 

上世紀(jì)八十年代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入我國水泥行業(yè)，水泥工業(yè)自動(dòng)化隨之成為水泥新型干法工藝不可缺少的一部分，DCS，PLC是當(dāng)時(shí)控制的熱門話題。到了九十年代工業(yè)自動(dòng)化界的熱點(diǎn)又轉(zhuǎn)向?yàn)楝F(xiàn)場總線，在一段時(shí)間內(nèi)控制業(yè)界推出了幾十種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，后由IEC確定了八種現(xiàn)場總線為國際標(biāo)準(zhǔn)。水泥工業(yè)自動(dòng)化后也隨著現(xiàn)場總線的大流，在部分企業(yè)采用了FCS--現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，應(yīng)用在窯尾和冷卻機(jī)的控制中，現(xiàn)今Profibus,-DP、 PA、 FF、Control-Net、Device-Net等已廣為熟知。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）又成為控制界最大熱點(diǎn)，其熱度甚至超過了當(dāng)年的現(xiàn)場總線技術(shù)，幾乎波及到各個(gè)角落。目前IEC正在制訂工業(yè)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)今已推出并比較有影響的是Ethernet/IP(ODVA )和PROFINET 等，實(shí)際上這些網(wǎng)還是現(xiàn)場總線 DeviceNet, Contro-lNet，Profibus,-DP,PA的上層網(wǎng)段。中國的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在起飛，如浙大中控聯(lián)合國內(nèi)一些企業(yè)正在開發(fā)的EPA標(biāo)準(zhǔn)，并已向IEC申報(bào)。

 

和其他行業(yè)一樣，我國水泥工業(yè)自動(dòng)化人員并不陌生以太網(wǎng)，在開發(fā)管理信息MIS系統(tǒng)時(shí)，或者在用PC機(jī)組成的辦公自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，多曾采用了商用以太網(wǎng)，但目前熱門的是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)，即在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)從智能傳感器到廠區(qū)內(nèi)的監(jiān)控和管理系統(tǒng)都應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng)，支持工業(yè)以太網(wǎng)的軟件極為豐富，有超過100種通訊協(xié)議被應(yīng)用于各種各樣工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺之間的數(shù)據(jù)交換；低成本高性能的Ethernet產(chǎn)品到處可見，目前幾乎所有遠(yuǎn)程I/O和控制器均能提供一個(gè)支持TCP/IP的Ethernet接口。 各種工廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如Honeywell公司的TDC和TPS系統(tǒng)、ABB公司的工業(yè)IT、SIMENS公司的PCS7等，都采用工業(yè)以太網(wǎng)作為管理層和監(jiān)控層，Ethernet正在成為國際標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)有何特點(diǎn)，在選擇考慮時(shí)要注意什么，工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)的通信模型以及在聯(lián)網(wǎng)時(shí)用什么基本設(shè)備，對于我們水泥行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)人員應(yīng)有所了解，本文將就以上的話題論述，并對水泥行業(yè)應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的前景做一預(yù)測。

 

 

2.1．工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)

 

以太網(wǎng)是采用平等競爭式的介質(zhì)訪問控制方式，即現(xiàn)在使用的CSMA/CD802.3標(biāo)準(zhǔn)（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問），它是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式，其基本工作原理是：某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；如果兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將發(fā)生碰撞，同時(shí)節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長度的時(shí)間后重新發(fā)送。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，Ethernet上存在的這種碰撞成了主要問題，因?yàn)樗鼧O大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時(shí)，并導(dǎo)致Ethernet實(shí)際性能的下降。由于在一系列碰撞后報(bào)文可能會(huì)丟失，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障，因此它不能滿足自動(dòng)化系統(tǒng)對通信的實(shí)時(shí)要求。而我們現(xiàn)在所討論的是工業(yè)以太網(wǎng)，它也是采用了以太網(wǎng)的通信方式，但工業(yè)以太網(wǎng)最大特點(diǎn)是：

2.1.1 傳輸速率快：最初以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)通信速率是2.94Mbps, 而工業(yè)以太網(wǎng)的速率是10Mbps，100 Mbps，現(xiàn)在甚至有可支持1000 和10GMbps的以太網(wǎng)。 在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，也就意味著網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。

 

2.1.2. 實(shí)時(shí)性：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求很高，通常制造自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求在0.01~0.5s，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.5~2s，為此在工業(yè)以太網(wǎng)中除具有的高通信速率外、還采用了全雙工交換技術(shù)，即端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，不會(huì)發(fā)生沖突。另外，網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由交換機(jī)SWITCHER將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，即能實(shí)現(xiàn)來自某一端口的信息，再將信息廣播到其他端口的路由功能，并能自動(dòng)檢測網(wǎng)絡(luò)速度，有MAC地址表，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，避免了消息沖突。同時(shí)交換機(jī)還可以對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行包過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不會(huì)經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

 

為更可靠、有效做到實(shí)時(shí)性，在工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)技術(shù)上各開發(fā)商通過創(chuàng)新技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)的通信更加順暢，如采用同步分散實(shí)時(shí)時(shí)鐘協(xié)議以及高速通道協(xié)議等新技術(shù)，可以認(rèn)為目前工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性基本得到解決。

適應(yīng)工業(yè)環(huán)境：

 

工業(yè)以太網(wǎng)能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，控制系統(tǒng)的控制器、I/O模塊、操作站、工程師站等硬件設(shè)備均能滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，其外殼的保護(hù)等級高，一般為IP67，外殼設(shè)計(jì)也充分考慮了對散熱的影響；電源設(shè)計(jì)、安裝方式也適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。另外工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)有廣泛的糾錯(cuò)機(jī)制，使它能在惡劣的操作環(huán)境下，也有很強(qiáng)的魯棒性。

 

為了提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中，Ethernet主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

 

有很好的安全性能：

 

將工業(yè)現(xiàn)場控制設(shè)備通過以太網(wǎng)連接起來時(shí)，由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會(huì)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，并因此成為眾人關(guān)心的另一個(gè)重要問題。對此，一般可采用網(wǎng)絡(luò)隔離（如網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等隔離）的辦法，將控制區(qū)域內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分開。此外，還可以通過用戶密碼、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。目前已有針對工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全的成熟軟件，如PROFIsafe, CIP Safety等，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能確保運(yùn)行可靠。

 

 

綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)也不是簡單把一個(gè)數(shù)據(jù)位從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)設(shè)備，就能建立起有效的通信聯(lián)系。所有的數(shù)據(jù)必須以一個(gè)層級的方式組織起來。通常它也是按開聯(lián)的OSI的7層模型建立通信協(xié)議的（見表1）。這個(gè)模型定義了傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備應(yīng)該怎樣在發(fā)送前把信息打包；接收數(shù)據(jù)的設(shè)備應(yīng)該怎樣把收到的數(shù)據(jù)解包，還原成原來的信息。

 

 

第1層是管理層，接收來自某一端口的信息，再將信息變送廣播到其他端口，以太網(wǎng)在這層主要硬件是網(wǎng)絡(luò)集線器，俗稱HUB，水泥行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)人員多熟悉HUB，在系統(tǒng)中我們通過電纜網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)集線器和和各種基于以太網(wǎng)的設(shè)備連接，如工業(yè)PC機(jī)、管理PC機(jī)、可編程控制器PLC等，集線器接收來自某一端口的信息，再將信息同時(shí)的、不加區(qū)別的變送廣播到其他所有的可用端口。由于集線器使以太網(wǎng)可以有分支連接，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就可以增加設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的距離也可延長。集線器在信息傳遞方面是低速低效，可能會(huì)出現(xiàn)消息沖突。然而集線器的使用非常簡單，可以即插即用，但沒有冗余功能。   第2層是數(shù)據(jù)鏈路層，這層主要硬件是交換機(jī)SWITCHER,它的作用是過濾和重建以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)都有一個(gè)地址列表- MAC地址表，在表上列出了所有連接設(shè)備的地址，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)把數(shù)據(jù)包保存下來，同自身的地址列表進(jìn)行比較，然后把數(shù)據(jù)包繼續(xù)傳送到正確的端口，以限制其他無關(guān)端口的通信信息量。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)有管理型和非管理型兩種，管理型交換機(jī)：它可以通過網(wǎng)絡(luò)的接口實(shí)現(xiàn)完全的配置，也能自動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互，可手動(dòng)配置每一端口的網(wǎng)絡(luò)速度和流量控制，通過鏡像到診斷端口，可進(jìn)行故障診斷和檢修。   第3層是網(wǎng)絡(luò)層，在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)路由功能，其基本設(shè)備是路由器，路由器根據(jù)IP地址過濾網(wǎng)絡(luò)通訊，把網(wǎng)絡(luò)分割成子網(wǎng)段，只有擁有特定的IP地址的設(shè)備可以通過；路由器的另一作用是能夠阻擋廣播信息和損壞的數(shù)據(jù)包，這樣可以大大減少子網(wǎng)的通信量。   第5層和第7層是會(huì)話和應(yīng)用層，網(wǎng)關(guān)是其基本設(shè)備，網(wǎng)關(guān)的作用是把不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)到一起，網(wǎng)關(guān)能夠翻譯通訊協(xié)議中從7層模型的物理層到應(yīng)用層的所有層面，因此網(wǎng)關(guān)可互聯(lián)完全不同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。   3．選用工業(yè)以太網(wǎng)的考慮因素和水泥行業(yè)應(yīng)用前景   我們在選用工業(yè)以太網(wǎng)或相應(yīng)的產(chǎn)品時(shí)，要考慮以太網(wǎng)通訊協(xié)議、電源、通信速率、工業(yè)環(huán)境認(rèn)證考慮、安裝方式、外殼對散熱的影響、簡單通信功能和通信管理功能、電口和光口等。如果對工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理有更高的要求，則要考慮所選產(chǎn)品的高級功能：信號強(qiáng)弱、端口設(shè)置、出錯(cuò)報(bào)警、串口使用、主干冗余、環(huán)網(wǎng)冗余、服務(wù)質(zhì)量、虛擬局域網(wǎng)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、端口鏡像等。   當(dāng)今我國水泥行業(yè)在國內(nèi)有影響有實(shí)力的大集團(tuán)粗略統(tǒng)計(jì)也有十幾家，如海螺、華新、冀東、三獅、亞泰等，他們屬下有許多水泥熟料廠和粉磨站，如海螺集團(tuán)每年水泥產(chǎn)量達(dá)幾千萬噸，它的水泥熟料廠分布在離資源近的安徽等地，而根據(jù)水泥市場的需求，粉磨站分布在上海、寧波、南通、張家港等城市附近，為此它必需綜合調(diào)度其生產(chǎn)、管理和銷售等。而目前大多數(shù)水泥集團(tuán)所屬企業(yè)自動(dòng)化功能僅用到過程監(jiān)控級?；诠I(yè)以太網(wǎng)強(qiáng)大的生命力，相信由工業(yè)以太網(wǎng)組成的控制和管理系統(tǒng)不久將在我國有實(shí)力的大水泥集團(tuán)建成，將集團(tuán)、公司、熟料廠和粉磨站的生產(chǎn)、銷售、管理、財(cái)務(wù)、質(zhì)量、原材料等組成一個(gè)有機(jī)的整體，以發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)。。