以太網(wǎng)與web網(wǎng)相結(jié)合用于工業(yè)控制
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)，工業(yè)控制系統(tǒng)，Internet
1、引言
隨著計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、控制等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正發(fā)生著巨大的變化，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動化為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)是分層式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從生產(chǎn)現(xiàn)場底層開始，可分為現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和市場管理層。
市場管理層融合外界商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、原材料和部件供應(yīng)鏈以及生產(chǎn)基地的信息，是跨越工廠或企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)。Internet作為國際互聯(lián)網(wǎng)，已成為當(dāng)代信息社會的高速公路。Internet通過TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)建立起來的傳輸機(jī)制得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。近年來，隨著電子商務(wù)的興起，使得企業(yè)的市場管理越來越依靠Internet，通過web網(wǎng)，企業(yè)可以了解市場動態(tài)，以最快的速度、最低的消耗指揮企業(yè)的生產(chǎn)。
生產(chǎn)管理層完成生產(chǎn)計劃、調(diào)度、人事、財務(wù)等管理功能，是工廠局域網(wǎng)的上層，多由以太網(wǎng)組成。
過程監(jiān)控層接收來自工廠現(xiàn)場的信息，進(jìn)行高級控制與優(yōu)化計算等，它也可用速度較快的以太網(wǎng)構(gòu)成。它與市場管理層組成企業(yè)決策、計劃、調(diào)度、科學(xué)研究等完整功能的管理系統(tǒng)。
現(xiàn)場控制層是工廠局域網(wǎng)的最底層，擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)第一線測量控制的特殊任務(wù)。在該層由于現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，把控制領(lǐng)域帶入了一個新的時代。但是，目前在該層中現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)目眾多，不同協(xié)議的兼容問題一直困擾著工業(yè)界。而在現(xiàn)場控制層引入以太網(wǎng)不僅使現(xiàn)場層、監(jiān)控層和管理層在垂直層面容易集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上集成的成本。所以向以太網(wǎng)靠攏將成為今后現(xiàn)場控制層發(fā)展的一個趨勢。
生產(chǎn)管理、過程監(jiān)控和現(xiàn)場控制各層均可采用以太網(wǎng)，構(gòu)成了企業(yè)局域網(wǎng)，企業(yè)局域網(wǎng)可以大量采用Internet技術(shù)，并提供與Internet的互聯(lián)。
2、為什么工業(yè)控制系統(tǒng)需要以太網(wǎng)
工業(yè)控制系統(tǒng)即企業(yè)信息系統(tǒng)的底層一般是現(xiàn)場總線。目前現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是通信協(xié)議比較簡單，通信速率比較低。如基金會現(xiàn)場總線FF的H1傳輸速率只有31.25kbps。但是隨著儀器儀表智能化的提高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必將趨于復(fù)雜，甚至傳輸?shù)氖莣eb網(wǎng)頁，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咚傩栽诠I(yè)控制系統(tǒng)中變得更為重要。
隨著智能傳感器和各種智能設(shè)備的應(yīng)用以及工業(yè)管理自動化的深入，在未來幾年內(nèi)，信息量估計還要增加幾十倍。管理者希望得到更多的實(shí)時信息，而不希望只能在一段時間后，才能得到匯總信息。這樣，工業(yè)以太網(wǎng)就以其價廉、高速、方便的特性而獲得重視。
基于以太網(wǎng)的分布式輸入/輸出應(yīng)用幾乎是不受任何限制的，它們可以包括以下這些方面：
·從相同的局域網(wǎng)但是在不同的建筑物中獲取數(shù)據(jù)。
·利用一臺以上計算機(jī)訪問一臺或更多的分布式輸入/輸出設(shè)備。
·利用跨越不同城市或不同國家的因特網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)。
·利用一個基于以太網(wǎng)的骨干網(wǎng)連接現(xiàn)存的專有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
·使用以太網(wǎng)取代開銷大的專用網(wǎng)絡(luò)。
·利用以太網(wǎng)可以處理比大多數(shù)工業(yè)通信總線寬得多的帶寬需求。
許多高速連接方案，如現(xiàn)場總線基金會（fieldbus fundation , FF）的高速以太網(wǎng)HSE和PROFIBUS聯(lián)合會（profibus trade organization）的PROFIBUS以太網(wǎng)就是抓住了這樣的機(jī)遇，建立在以太網(wǎng)之上而獲得成功的。
3、關(guān)于以太網(wǎng)與TCP/IP
在ISO/OSI七層參考模型中，以太網(wǎng)本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。作為一套完整的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，必須具備高層控制協(xié)議，以太網(wǎng)選擇了TCP/IP協(xié)議。IP（網(wǎng)際協(xié)議）用以提供無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，確定信息傳遞的路線，而TCP（傳輸控制協(xié)議）則是用以提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ｋm然TCP/IP并不是專為以太網(wǎng)而設(shè)計的，然而實(shí)際中它們已經(jīng)密不可分。由于Internet也使用TCP/IP協(xié)議，這就為以太網(wǎng)與因特網(wǎng)的互聯(lián)奠定了基礎(chǔ)。
IP為每個數(shù)據(jù)包提供獨(dú)立尋址的能力，但不能保證每個數(shù)據(jù)包都能正確地到達(dá)目的地，網(wǎng)絡(luò)阻塞和傳輸錯誤都可能使數(shù)據(jù)包丟失。而TCP可以解決這一問題，它在兩站點(diǎn)之間建立一條可靠的連接通道，保證數(shù)據(jù)流的正確傳遞。
以太網(wǎng)的高層控制協(xié)議選擇TCP/IP協(xié)議的優(yōu)勢是：
·TCP/IP協(xié)議已是國際公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，易于建造開放的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。
·通過TCP/IP編程接口，易于開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軟件。
·局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能好，出現(xiàn)差錯的概率小，合理的利用TCP和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）的優(yōu)點(diǎn)，就能夠滿足工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時性與可靠性的要求。
隨著Internet的快速發(fā)展，以太網(wǎng)已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，TCP/IP簡單實(shí)用已深入人心，為廣大用戶所接受。
4、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨傳輸介質(zhì)而定
基于10BASE-T和100BASE-TX的以太網(wǎng)絡(luò)使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是最流行的一種結(jié)構(gòu)。使用同軸電纜的以太網(wǎng)絡(luò)使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它允許更多的設(shè)備共享以太網(wǎng)而卻沒利用集線器HUB或中繼器。
以太網(wǎng)有多種不同的布線選擇方案。最普通的一種是使用無屏蔽雙絞線（UTP）電纜，這種電纜處理10BASE-T與100BASE-TX系統(tǒng)，類似于電話線。
UTP電纜是額定性能的。3類線與4類線允許各自的速度為16Mbps與20Mbps，它們只適應(yīng)于10BASE-T連接。5類線支持100BASE-TX連接，速度為100Mbps。
星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用UTP電纜，這種情況下，任何一段只有兩個設(shè)備，其中之一通常是一個HUB或一個交換器。最大段長度是100米用于星形網(wǎng)與總線網(wǎng)之間。
其它布線選擇方案包括同軸電纜和光纖。10BASE2（稱為細(xì)纜）與10BASE5（稱為粗纜）使用細(xì)同軸電纜與粗同軸電纜。同軸電纜傳輸介質(zhì)決定使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以比星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)接納更多的設(shè)備。
光纖電纜使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就象UTP電纜一樣，而它可以將距離延伸至2000米。
5、互連網(wǎng)絡(luò)的基本連接設(shè)備
有幾種基本網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備可提供給用戶。它們用于分隔和改善網(wǎng)絡(luò)性能。
·集線器/中繼器：集線器（也稱為中繼器）由連接分段來增加網(wǎng)絡(luò)的長度。被認(rèn)為是碰撞范圍的聯(lián)網(wǎng)概念定義在相同邏輯子網(wǎng)上所有接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備的數(shù)目。隨著更多的設(shè)備加入一個分段，碰撞范圍增加，即兩個設(shè)備之間的通信碰撞更加可能發(fā)生。
·交換器/網(wǎng)橋：從另一方面來說，交換器和網(wǎng)橋把網(wǎng)絡(luò)分段分成隔離的碰撞范圍。它們快速地分析每一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，并且只把定址到具體設(shè)備的那些數(shù)據(jù)包發(fā)送到那個設(shè)備。應(yīng)用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)意味著設(shè)備不會接收網(wǎng)絡(luò)信息量的全部而只是接收相關(guān)的信息。依靠把一個網(wǎng)絡(luò)分成若干個分離的碰撞范圍的方法，可以強(qiáng)有力地增加整個網(wǎng)絡(luò)的性能。
·路由器：使用路由器可以把自治網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)探測與控制網(wǎng)絡(luò)分開，把兩種網(wǎng)絡(luò)置于它們自己的邏輯范圍內(nèi)。這樣就把指向各個設(shè)備的傳輸信息量最小化了。
6、對信息傳遞的影響
基于以太網(wǎng)的分布式輸入/輸出系統(tǒng)的性能主要取決于網(wǎng)絡(luò)建立和運(yùn)行的方式。有些問題值得注意。碰撞范圍的概念定義了在一個接收和傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的分段上所有設(shè)備的數(shù)量。
基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）使用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）技術(shù)。CSMA/CD在以太網(wǎng)的物理層實(shí)現(xiàn)，還包括介質(zhì)訪問控制MAC子層。在物理層每一個設(shè)備監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，并且等待直到總線上無人在對話時才訪問總線（即載波監(jiān)聽）。
當(dāng)兩個或更多的設(shè)備在同一時間開始傳輸時，就會發(fā)生沖突，MAC檢測沖突。當(dāng)沖突發(fā)生時，所涉及的設(shè)備在一個隨機(jī)的時間間隔（0到2秒）內(nèi)試圖重新傳輸，最高可達(dá)16次。運(yùn)行良好的經(jīng)驗法則告訴我們，總線上的最佳通信量應(yīng)少于最大值的36%，才可以維持有效的信息傳遞。
7、從辦公室以太網(wǎng)獲得的啟示
在工業(yè)環(huán)境中使用以太網(wǎng)的明顯理由是可以實(shí)現(xiàn)低成本、速度以及工業(yè)設(shè)備的可用性的最理想結(jié)合。隨著以太網(wǎng)從辦公室里走了出來，現(xiàn)在它已得到顯著的發(fā)展并且變得更加穩(wěn)定。
反對在工業(yè)環(huán)境中使用以太網(wǎng)的主要理由如下所述：
·它是不確定的，因此在實(shí)時控制與可靠性操作要求非常高的場合中，以太網(wǎng)不是最好的選擇。
·它可能經(jīng)受不起所有的苛刻環(huán)境。因為通過嚴(yán)格的環(huán)境測試的以太網(wǎng)集線器和電纜幾乎沒有。
·一個單獨(dú)的數(shù)據(jù)包的總開銷很大——對實(shí)際數(shù)據(jù)的識別內(nèi)容和路由選擇的內(nèi)容的比值比采用專門的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要大得多。
·以太網(wǎng)在總線上不提供電源，因此必須要有額外的供電電纜。
然而，仔細(xì)地設(shè)計以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，同時使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，就可以取得可靠的操作。另外，以太網(wǎng)的通信速率一再提高，10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)已經(jīng)可以使用了，千兆位以太網(wǎng)正得到發(fā)展，而且萬兆位以太網(wǎng)也正在加緊研制中。通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，而減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷則意味著提高了確定性。如6所述，若網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不超過36%，以太網(wǎng)發(fā)生碰撞的可能性極小。
需要特別指出的是，交換技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)消除了以太網(wǎng)應(yīng)用于控制系統(tǒng)的障礙。交換式以太網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生于1992年。這項技術(shù)使得多個網(wǎng)上設(shè)備之間同時進(jìn)行通信時不會有沖突發(fā)生。其做法是把網(wǎng)絡(luò)用交換器分割成互不相連的幾個網(wǎng)段，每個設(shè)備獨(dú)占一個網(wǎng)段，從而大大降低沖突的可能性。
8、以太網(wǎng)與Internet集成用于工業(yè)控制
以太網(wǎng)已經(jīng)成為一種普遍存在的工具而用于企業(yè)組織。由于使用以太網(wǎng)作為傳輸媒介，Internet已經(jīng)發(fā)展起來，而且正在改變著跨越許多工業(yè)部門做買賣的方式、方法。Internet已經(jīng)成為在任何時候從任何地方輕易地獲取信息的一種工具。
實(shí)際上，Internet在工廠層最終將起到非常重要的作用。Internet與自動化應(yīng)用一起工作，使用帶有web接口的軟件，Internet就能夠調(diào)節(jié)統(tǒng)計上的過程信息和其它過程信息。
為了管理部門或供應(yīng)商的利益，Internet軟件還能發(fā)布信息。顧客能找到自己的訂貨狀態(tài)，而供應(yīng)商能看到運(yùn)轉(zhuǎn)著的工廠操作。有關(guān)工藝規(guī)程、已加工的貨物以及報表等級的業(yè)務(wù)信息將簡化適時的交貨。
這種實(shí)時的工廠管理已經(jīng)成為競爭性優(yōu)越條件中所必需的。適時生產(chǎn)不僅對于企業(yè)的發(fā)展是必要的，而且實(shí)際上對于企業(yè)的生存也是必要的。Internet將是實(shí)現(xiàn)上述目的的關(guān)鍵工具。
使用Internet的另一個應(yīng)用是預(yù)防性維修。基于web 網(wǎng)的軟件與主要機(jī)械裝置集成，可以向機(jī)器制造商提供有用的信息。檢修技術(shù)人員可以從任何地方請求聯(lián)機(jī)，有助于檢查并排除故障。這樣會減少機(jī)器的停機(jī)時間并減少了相關(guān)的費(fèi)用。
需要并正在進(jìn)行改進(jìn)的領(lǐng)域是基于web的控制。目前，由于缺乏關(guān)于以太網(wǎng)與Internet的確定結(jié)合方案，使得我們還難以擔(dān)保這樣的控制萬無一失。
作為一個例子，現(xiàn)場總線基金會FF的高速以太網(wǎng)HSE就明確表示它是一種具有控制功能的Internet。HSE連接器將遠(yuǎn)端H1網(wǎng)段的信息傳遞到以太網(wǎng)主干線上。這些信息通過Internet傳到主控室，在那里操作員可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能監(jiān)控生產(chǎn)過程。控制信息也可同樣被管理系統(tǒng)所獲取。
將Internet的力量與一種高效的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，HSE可以說是企業(yè)理想的把控制與管理聯(lián)系起來的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。
9、結(jié)束語
過去十幾年中Internet的興起和Windows、Unix操作系統(tǒng)逐漸處于主導(dǎo)地位，象TCP/IP及一些定義明確的傳輸協(xié)議得到廣泛應(yīng)用。電子商務(wù)的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)管理營銷的觀念發(fā)生著巨大變化。能夠走出辦公室，在任何城市、任何地方利用電話線通過Internet對企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)視控制，無疑是現(xiàn)代企業(yè)提高生產(chǎn)率、增強(qiáng)競爭力的有效手段。為獲取這樣的手段，將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域無疑是最方便最有效的解決方案。
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