當今自動化控制的熱點—工業(yè)以太網(wǎng)
2007-02-06 00:00
1 概述
上世紀八十年代計算機控制系統(tǒng)引入我國水泥行業(yè)，水泥工業(yè)自動化隨之成為水泥新型干法工藝不可缺少的一部分，DCS，PLC是當時控制的熱門話題。到了九十年代工業(yè)自動化界的熱點又轉(zhuǎn)向為現(xiàn)場總線，在一段時間內(nèi)控制業(yè)界推出了幾十種現(xiàn)場總線標準，后由IEC確定了八種現(xiàn)場總線為國際標準。水泥工業(yè)自動化后也隨著現(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)，應用在窯尾和冷卻機的控制中，現(xiàn)今Profibus,-DP、 PA、 FF、Control-Net、Device-Net等已廣為熟知。進入二十一世紀后，工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）又成為控制界最大熱點，其熱度甚至超過了當年的現(xiàn)場總線技術，幾乎波及到各個角落。目前IEC正在制訂工業(yè)以太網(wǎng)的國際標準，當今已推出并比較有影響的是Ethernet/IP(ODVA )和PROFINET 等，實際上這些網(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)標準也在起飛，如浙大中控聯(lián)合國內(nèi)一些企業(yè)正在開發(fā)的EPA標準，并已向IEC申報。
和其他行業(yè)一樣，我國水泥工業(yè)自動化人員并不陌生以太網(wǎng)，在開發(fā)管理信息MIS系統(tǒng)時，或者在用PC機組成的辦公自動化系統(tǒng)時，多曾采用了商用以太網(wǎng)，但目前熱門的是工業(yè)實時以太網(wǎng)系統(tǒng)，即在工業(yè)領域內(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)議被應用于各種各樣工業(yè)計算機平臺之間的數(shù)據(jù)交換；低成本高性能的Ethernet產(chǎn)品到處可見，目前幾乎所有遠程I/O和控制器均能提供一個支持TCP/IP的Ethernet接口。 各種工廠計算機控制系統(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正在成為國際標準。工業(yè)實時以太網(wǎng)有何特點，在選擇考慮時要注意什么，工業(yè)實時以太網(wǎng)絡的通信模型以及在聯(lián)網(wǎng)時用什么基本設備，對于我們水泥行業(yè)自動化技術人員應有所了解，本文將就以上的話題論述，并對水泥行業(yè)應用工業(yè)以太網(wǎng)絡的前景做一預測。
2 工業(yè)實時以太網(wǎng)絡的通信模型和聯(lián)網(wǎng)基本設備
2.1．工業(yè)以太網(wǎng)的特點
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標準（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問），它是一種非確定性或隨機性通信方式，其基本工作原理是：某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡，如網(wǎng)絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡；如果兩個或更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡空閑并同時發(fā)送報文時，將發(fā)生碰撞，同時節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度的時間后重新發(fā)送。尤其在網(wǎng)絡負荷較高時，Ethernet上存在的這種碰撞成了主要問題，因為它極大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時，并導致Ethernet實際性能的下降。由于在一系列碰撞后報文可能會丟失，節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障，因此它不能滿足自動化系統(tǒng)對通信的實時要求。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)最大特點是：
2.1.1 傳輸速率快：最初以太網(wǎng)的標準通信速率是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)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，也就意味著網(wǎng)絡碰撞機率大大下降。
2.1.2. 實時性：工業(yè)通信網(wǎng)絡的實時性要求很高，通常制造自動化系統(tǒng)的響應時間要求在0.01~0.5s，過程控制系統(tǒng)的響應時間為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，即端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，不會發(fā)生沖突。另外，網(wǎng)絡采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，由交換機SWITCHER將網(wǎng)絡劃分為若干個網(wǎng)段。交換機具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，即能實現(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，并能自動檢測網(wǎng)絡速度，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。同時交換機還可以對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行包過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不會經(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)絡負荷。
為更可靠、有效做到實時性，在工業(yè)以太網(wǎng)的實時技術上各開發(fā)商通過創(chuàng)新技術使網(wǎng)絡的通信更加順暢，如采用同步分散實時時鐘協(xié)議以及高速通道協(xié)議等新技術，可以認為目前工業(yè)以太網(wǎng)的實時性基本得到解決。
適應工業(yè)環(huán)境：
工業(yè)以太網(wǎng)能適應惡劣的工業(yè)環(huán)境，控制系統(tǒng)的控制器、I/O模塊、操作站、工程師站等硬件設備均能滿足環(huán)境適應性要求，其外殼的保護等級高，一般為IP67，外殼設計也充分考慮了對散熱的影響；電源設計、安裝方式也適應工業(yè)環(huán)境。另外工業(yè)以太網(wǎng)設有廣泛的糾錯機制，使它能在惡劣的操作環(huán)境下，也有很強的魯棒性。
為了提高網(wǎng)絡的抗干擾能力和可靠性，在實際應用中，Ethernet主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設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)絡技術。
有很好的安全性能：
將工業(yè)現(xiàn)場控制設備通過以太網(wǎng)連接起來時，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)絡安全威脅，并因此成為眾人關心的另一個重要問題。對此，一般可采用網(wǎng)絡隔離（如網(wǎng)關、服務器等隔離）的辦法，將控制區(qū)域內(nèi)部控制網(wǎng)絡與外部信息網(wǎng)絡系統(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制加強網(wǎng)絡的安全管理。目前已有針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡安全的成熟軟件，如PROFIsafe, CIP Safety等，整個網(wǎng)絡能確保運行可靠。
2．工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型和網(wǎng)絡設備
綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)也不是簡單把一個數(shù)據(jù)位從一個設備傳送到另一個設備，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）。這個模型定義了傳送數(shù)據(jù)的設備應該怎樣在發(fā)送前把信息打包；接收數(shù)據(jù)的設備應該怎樣把收到的數(shù)據(jù)解包，還原成原來的信息。
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