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1、工业以太网在工业控制中的应用综述ronggang导语：本文介绍了现场总线开展中存在的一些问题，分析了以太网应用于现场总线中面临的问题，综合现阶段国内外的研究，提出了工业以太网在应用中一些实际的解决方法，同时分析工业以太网的开展前景。摘要:本文介绍了现场总线开展中存在的一些问题，分析了以太网应用于现场总线中面临的问题，综合现阶段国内外的研究，提出了工业以太网在应用中一些实际的解决方法，同时分析工业以太网的开展前景。关键词:工业以太网控制系统现场总线通讯网络1引言在工业消费中，随着消费规模的扩大和复杂程度的进步，实际应用对控制系统的要求越来越高。在20世纪5060年代，以模拟信号为主的电子装置和自
2、动化仪表组成的监控系统取代传统的机电控制系统。随后是在7080年代，集散控制系统DCSDistributedControlSystem的出现，把大量分散的单回路测控系统通过计算机进展集中统一治理，用各种I/O功能模块代替控制室仪表，利用计算机实现回路调节、工况联锁、参数显示、数据存储等多种功能，进而实现了工业控制技术的飞跃。DCS一般由操纵站级、经过控制级和现场仪表三级组成，其特点是“集中治理，分散控制，根本控制功能在经过控制级中，工作站级的主要作用是监视治理。分散控制使得系统由于某个部分的不可靠而造成对整个系统的损害降到较低的程度，且各种软硬件技术不断走向成熟，极大地进步了整个系统的可靠性，
3、因此迅速成为工业自动控制系统的主流。但DCS的构造是多级主从关系，底层互相间进展信息传递必须经过主机，进而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪。而且DCS是一种数字模拟混合系统，现场仪表仍然使用传统的420mA模拟信号，工程与治理本钱高，柔性差。此外各制造商的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。进入90年代，具有数字化的通讯方式、全分散的系统构造、开放的互联网络、多种传输媒介和拓扑构造、高度的环境适应性等特点的现场总线Fieldbus技术迅速崛起并趋向成熟，控制功能全面转入现场智能仪表，而在此根底上形成的新的现场总线控制系统FCSFiel
4、dbusControlSystem综合了数字通讯技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上打破了传统的“点对点式的模拟信号或者数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互连、多变量、多接点的通讯与控制系统。相应的控制网络构造也发生了较大的变化。FCS的典型构造分为设备层、控制层和信息层。采用了现场总线技术使控制功能下放到现场设备成为可能，现场总线标准不仅是通讯标准，同时也是系统标准。FCS正在走向取代DCS并推动着工业控制技术的又一次飞跃。2现场总线应用中的问题2.1标准问题现场总线控制系统在实际应用中还存在一些问题有待解决，其中最突出的
5、问题就是缺少统一的标准。2000年初IEC公布的IEC61158国际标准，产生了H1FF、ControlNet、Profibus、P-Net、HSEFF、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等种IEC现场总线国际标准子集。IEC现场总线国际标准制定的结局说明，在相当长的一段时期内，将出现多种现场总线并存的场面，并导致控制网段的系统集成与信息集成面临困难。无论是最终用户还是工程集成商也包括制造商，都在寻求高性能、低本钱的解决方案。8种类型的现场总线采用不同的通讯协议，要实现这些总线的互相兼容和互操纵几乎是不可能的。每种现场总线都有自己最适宜的应用领域，怎样在实际中根据应用对象，将
6、不同层次的现场总线组合使用，使系统的各局部都选择最适宜的现场总线，对用户来讲，仍然是比拟棘手的问题。2.2系统的集成问题在实际应用中，一个大的系统很可能采用多种的现场总线，十分是中国那些高速成长的终端用户，在企业的不同开展阶段和国际范围的跨国制造装备采购几乎不可能统一技术前沿的现场总线。怎样把企业的工业控制网络与治理层的数据网络进展无缝地集成，进而使整个企业实现管控一体化，显得特别关键。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑各现场节点的间隔，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强，因此很多仪表会有同样的功能块，组态时要仔细考虑功能块的选择，使网
7、络上的信息流动最小化。同时通讯参数的组态也很重要，要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。2.3存在技术瓶颈现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题，主要表如今以下几个方面。1当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪。用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前很多现场总线不能保证。2本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数目。这就是限制了现场总线节省电缆优点的发挥。3系统组态参数过分复杂。现场总线的组态参数很多，不轻易把握，但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。因此，采用一种统一的现场总线标准对于现场总线技术的开展具有十分重要的意义。为了加快新一代控制系统的开
8、展与应用，各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，业内人士把目光转移到了在商用局域网中大获成功的具有构造简单、本钱低廉、易于安装、传输速度高、功耗低、软硬件资源丰富、兼容性好、灵敏性高、易于与Internet集成、支持几乎所有流行的网络协议的以太网技术。3以太网与TCP/IP以太网Ethernet最早;于Xerox公司于1973年建造的网络系统，是一种总线式局域网，以基带同轴电缆作为传输介质，采用CSMA/CD协议。Xerox公司建造的以太网非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司结合起草了以太网标准。1985年，IEEE802委员会吸收以太网为IEEE802.3标
9、准，并对其进展了修改。以太网标准和IEEE802.3标准的主要区别是以太网标准只描绘了使用50欧同轴电缆、数据传输率为10Mbps的总线局域网，而且以太网标准包括ISO数据链路层和物理层的全部内容;而IEEE802.3标准描绘了运行在各种介质上的、数据传输率从1Mbps10Mbps的所有采用CSMA/CD协议的局域网，而且IEEE802.3标准只定义了ISO参考模型中的数据链路层的一个子层即介质访问控制MAC子层和物理层，而数据链路层的逻辑链路控制LLC子层由IEEE802.2描绘。该标准规定采用载波侦听多路访问/冲突碰撞检测CSMA/CDCarrierSenseMultipleAccess/
10、CollisionDetect，信号以10Mbps速率在同轴电缆上传输。按照ISO的OSI七层构造，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完好的通讯系统。以太网在成为数据链路和物理层的协议之后，就与TCP/IP严密地捆绑在一起了。由于后来国际互连网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本连接HTTP等TCP/IP协议组放在一起，称为以太网技术;TCP/IP的简单实用已为广阔用户所承受，不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的治理网络、监控层网络也都广泛使用以太网技术，并开场向现场设备层网络延伸。如今，TCP/IP协议成为最流行的网际互联协议，并由单纯的TCP/IP协议开展成为
11、一系列以IP为根底的TCP/IP协议簇。在TCP协议中，网络层的核心协议是IPInternetProtocol，同时还提供ARPAddressResolutionProtocol、RARPReverseAddressResolutionProtocol、ICMPInternetControlMessagesProtocol等协议。该层的主要功能包括处理来自传输层的分组发送恳求即组装IP数据报并发往网络接口、处理输入数据报、转发数据报或者从数据报中抽取分组、处理过失与控制报文包括处理路由、流量控制、拥塞控制等。传输层的功能是提供给用程序间端到端的通讯效劳，它提供用户数据报协议UDPUserDat
12、agramProtocol和传输控制协议TCPTransferControlProtocol两个协议。UDP负责提供高效率的效劳，用于传送少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用UDP的应用程序需自己完成可靠性操纵;TCP负责提供高可靠的数据传送效劳，主要用于传送大量报文，并保证数据传输的可靠性。以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最大优点是简单，经济实用，易为人们所把握，所以深受广阔用户欢送。与现场总线相比，以太网具有以下几个方面的优点:1兼容性好，有广泛的技术支持基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，合适于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操纵的问题，
13、不同厂商的设备很轻易互联，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如VB、Java、VC等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。工业控制网络采用以太网，就可以防止其开展游离于计算机网络技术的开展主流之外，进而使工业控制网络与信息网络技术相互促进，共同开展，并保证技术上的可持续开展。2易于与Internet连接以太网支持几乎所有流行的网络协议，可以在任何地方通过Internet对企业进展监控，能便捷地访问远程系统，分享/访问多数据库。3本钱低廉采用以太网能降
14、低本钱，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与消费厂商的广泛支持，具有丰富的软硬件资源，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并且随着集成电路技术的开展，其价格还会进一步下降。人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经历，对其技术也特别熟悉。大量的软件资源和设计经历可以显著降低系统的开发和培训费用，在技术晋级方面无需单独的研究投入，进而可以显著降低系统的整体本钱，并大大加快系统的开发和推广速度。4可持续开展潜力大由于以太网的广泛应用，使它的开展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在信
15、息瞬息万变的时代，企业的生存与开展将很大程度上依靠于一个快速而有效的通讯治理网络，信息技术与通讯技术的开展将更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术的持续开展。5通讯速率高目前以太网的通讯速率为10M或者100M，1000M、10G的快速以太网也开场应用，以太网技术也逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快得多，以太网可以知足对带宽的更高要求。4以太网应用于控制时存在的问题但是传统的以太网是一种商用网络，要应用到工业控制中还存在一些问题，主要有以下几个方面。1存在实时性差，不确定性的问题传统的以太网采用了CSMA/CD的介质访问控制机制，各个节点采用BEBBinaryExponentialBack-o
16、ff算法处理冲突，具有排队延迟不确定的缺陷，每个网络节点要通过竞争来获得信息包的发送权。通讯时节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息;假如信道繁忙那么需要等待。信息开场发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发，因此无法保证确定的排队延迟和通讯响应确定性，不能知足工业经过控制在实时性上的要求，甚至在通讯繁忙时，还存在信息丧失的危险，进而限制了它在工业控制中的应用。2工业可靠性问题以太网是以办公自动化为目的设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要，如超高或者超低的工作温度，大电机或者其他大功率设备产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。以太网如在车间底层应用，必需要解决可
17、靠性的问题。3以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆工业现场控制网络不仅能传输通讯信息，而且要可以为现场设备传输工作供应电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线本钱。4以太网不是本质平安系统5平安性问题以太网由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操纵等网络平安威胁。没有受权的用户可能进入网络的控制层或者治理层，造成平安破绽。对此，一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种平安机制加强网络的平安治理，但针对工业自动化控制网络平安问题的解决方案还需要认真研究。6现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题上述这些问题中，实时性、确定
18、性及可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。为理解决这一问题，人们提出了工业以太网的解决方法。5工业以太网一般来讲，工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。工业以太网在技术上与商用以太网即IEEE802.3标准兼容，工业以太网和标准以太网的异同可以比之与工业控制计算机和商用计算机的异同。以太网要知足工业现场的需要，需到达以下几个方面的要求。1适应性包括机械特性耐振动、耐冲击、环境特性工作温度要求为-40+85，并耐腐蚀、防尘、防水、电磁环境适应性或者电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN50082-2标准。2可靠性由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品的可靠性
19、也提出了更高的要求。3本质平安与平安防爆技术对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场的智能装备以及通讯设备，都必须采取一定的防爆措施来保证工业现场的平安消费。现场设备的防爆技术包括隔爆型如增安、气密、浇封等和本质平安型两类。与隔爆型技术相比，本质平安技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，可以带来以下技术和经济上的优点:构造简单、体积小、重量轻、造价低;可在带电情况下进展维护和更换;平安可靠性高;适用范围广。实现本质平安的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。由于目前以太网收发器本身的功耗都比拟大，一般都在六七十mA5工作电源，因此低功耗的现场设备如工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的
20、变送器和执行机构等设计难以实现。因此，在目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比拟可行。另一方面，对于没有严格的本安要求的非危险场合，那么可以不考虑复杂的防爆措施。4安装方便，适应工业环境的安装要求，如采用DIN导轨安装。6进步以太网实用性的方法随着相关技术的开展，以太网的开展也获得了本质的飞跃，再借助于相关技术，可以从总体上进步以太网应用于工业控制中的实用性。6.1采用交换技术传统以太网采用分享式集线器，其构造和功能仅仅是一种多端口物理层中继器，连接到分享式集线器上的所有站点分享一个带宽，遵循CSMA/CD协议进展发送和接收数据。而交换式集线器可以以为是一个受控的多端口开关矩阵，各
21、个端口之间的信息流是隔离的，在源端和交换设备的目的端之间提供了一个直接快速的点到点连接。不同端口可以形成多个数据通道，端口之间的数据输入和输出不再受CSMA/CD的约束。随着当代交换机技术的开展，交换机端口内部之间的传输速率比整个设备层以太网端口间的传输速率之和还要大，因此减少以太网的冲突率，并为冲突数据提供缓存。当然交换机的工作方式必须是存储转发方式，这样在系统中只有点对点的连接，不会出现碰撞。多个交换把整个以太网分解成很多独立的区域，以太网的数据冲突只在各自的冲突域里存在，不同域之间没有冲突，可以大大进步网络上每个站点的带宽，进而进步了交换式以太网的网络性能和确定性。交换式以太网没有更改原
22、有的以太网协议，可直接使用普通的以太网卡，大大降低了组网的本钱，并从根本上解决了以太网通讯传输延迟存在不确定性的问题。研究说明，通讯负荷在10以下时，以太网因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。在工业控制网络中，传输的信息多为周期性测量和控制数据，报文小，信息量少，传输的信息长度较小。这些信息包括消费装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比拟小，通常仅为几位到几十个字节，对网络传输的吞吐量要求不高。研究说明，在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中，通讯负荷为10M以太网的5%左右，即使有操
23、纵员信息传输如设定值的改变，用户应用程序的下载等，10M以太网的负荷也完全可以保持在10%以下。6.2采用高速以太网随着网络技术的迅速开展，先后产生了高速以太网100M和千兆以太网产品和国际标准，10G以太网产品也已经面世。通过进步通讯速度，结合交换技术，可以大大进步通讯网络的整体性能。6.3采用全双工通讯形式交换式以太网中一个端口是一个冲突域，在半双工情况下仍不能同时发送和接收数据。假如采用全双工形式，同一条数据链路中两个站点可以在发送数据的同时接收数据，解决了这种情况下半双工存在的需要等待的问题，理论上可以使传输速率进步一倍。全双工通讯技术可以使设备端口间两对双绞线或者两根光纤上同时接收和
24、发送报文帧，进而也不再受到CSMA/CD的约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。对于紧急事务信息，那么可以根据IEEE802.3p&q，应用报文优先级技术，使优先级高的报文先进入排队系统先承受效劳。通过这种优先级排序，使工业现场中的紧急事务信息可以及时成功地传送到中央控制系统，以便得到及时处理。6.4采用虚拟局域网技术虚拟局域网VLAN的出现打破了传统网络的很多固有观念，使网络构造更灵敏、方便。实际上，VLAN就是一个播送域，不受地理位置的限制，可以根据部门职能、对象组和应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机的每一个端口只能标记一个VL
25、AN，同一个VLAN中的所有站点拥有一个播送域，不同VLAN之间播送信息是互相隔离的，这样就防止了播送风暴的产生。工业经过控制中控制层单元在数据传输实时性和平安性方面都要与普通单元区分开来，使用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上做逻辑分割，将不同的功能层、不同的部门区分开，进而到达进步网络的整体平安性和简化网络治理的目的。通常虚拟局域网的划分方式有静态端口分配、动态虚拟网和多虚拟网端口配置三种。静态端口分配指的是网络治理人员利用网管软件或者设备交换机的端口，使其直接附属某个虚拟网，这些端口将保持这样的附属性，除非网管人员重新设置;动态虚拟网指的是支持动态虚拟网的端口可以借助智能治理软件自动确定
26、它们的附属;多虚拟网端口配置支持一个用户或者一个端口同时访问多个虚拟网，这样可以将一台控制层计算机配置成多个部门可以同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源。6.5引入质量效劳QoSIPQoS是指IP的效劳质量qualityofservice，亦即IP数据流通过网络时的性能，它的目的是向用户提供端到端的效劳质量保证。QoS有一套度量指标，包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。QoS网络可以区分实时-非实时数据，在工业以太网中采用QoS技术，可以识别来自控制层的拥有较高优先级的数据，并对它们优先处理，在响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级等方面，使工业以太网知足工业
27、自动化实时控制要求。另外，QoS网络还可以制止对网络的非法使用，譬如非法访问控制层现场控制单元和监控单元的终端等。此外，还出现了受大公司支持的工业以太网应用标准及相关协议的改良。将工业以太网引入底层网络，不仅使现场层、控制层和治理层在垂直层面上方便集成，更能降低不同厂家设备在程度层面上的集成本钱，以太网向底层网络的延伸是必然的，因此著名厂商纷纷支持工业以太网并制订了不同的工业应用标准。如Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工业协议，它提供Producer/Consumer模型，将ControlNet和Devicenet的控制和信息协议的应用层移植到TCP。FF
28、制定的高速以太网协议HSE提供了发布方/定购方、对象等模型，主要用于工程控制领域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司发布的Modbus/TCP协议将Modbus协议捆绑在TCP协议上，易于施行，可以实现互联。为了进步实时性，以太网协议也作了一些改良。一种完全基于软件的协议RETHERRealTimeEthernet可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性，它采用一种混合操纵形式，能减少对网络中非实时数据传输性能的影响;非竞争的容许控制机制和有效的令牌传递方案能防止由于节点故障而引起的令牌丧失。遵守RETHER协议的网络以CSMA和RETHE
29、R两种形式运行。在实时对话期间，网络将透明地转换到RETHER形式，实时对话完毕后又重新回到CSMA形式。还有一种以太网协议叫RTCCRealTimeCommunicationControl，为分布式实时应用提供了良好的根底。RTCC是加在Ethernet之上的一层协议，能提供高速、可靠、实时的通讯。它不需要改变现有的硬件设备，采用命令/响应多路传输和总线表两种新奇的机制来分配信道。所有节点在RTCC协议中被分为总线控制器BC和远程终端RT两类，BC只有一个，其余都是RT。信息发送的提议和治理都由BC承当，访问仲裁经过和传输控制经过都是由BC来实现的，通过两个经过的集成与同步，不仅节点的发送时
30、间是确定的，而且节点使用总线的时间也可控。在10Mbps以太网上的实验说明，RTCC有令人满足确实定性。第三种改良实时性的方法是流量平衡，即在UDP或者TCP/IP与EthernetMAC之间加一个流量平衡器。作为它们之间的接口，它被安装在每一个网络节点上。在本地节点，它给予实时数据包以优先权来消除实时信息与非实时信息的竞争，同时平衡非实时信息，以减少与其他节点实时信息之间的冲突。为了保证非实时信息的吞吐量，流量平衡器还能根据网络的负载情况调整数据流产生率。这种方法不需要对现有的标准EthernetMAC协议和TCP或者UDP/IP作任何改动。因此，针对以太网排队延迟的不确定性，通过采用适当的
31、流量控制、交换技术、全双工通讯技术、信息优先级等来进步实时性，并改良了容错技术、系统设计技术以及冗余构造，以太网完全能用于工业控制网络。事实上，20世纪90年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网，推出了基于以太网的DCS、PLC、数据收集器，以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。随着网络和信息技术的日趋成熟，在工业通讯和自动化系统中采用以太网和TCP/IP协议作为最主要的通讯接口和手段，向网络化、标准化、开放性方向开展将是各种控制系统技术开展的主要潮流。以太网作为目前应用最广泛、成长最快的局域网技术，在工业自动化和经过控制领域得到了超乎平常的开展。同时，基于IP的全程一体化寻址，为工业消费提供的标准、分享、高速的信息化通道解决方案，也必将对控制系统产生深远的影响。