以太網與web網相結合用于工業控制

關鍵詞：以太網，工業控制系統，Internet

1、引言

　　隨著計算機、通信、網絡、控制等技術的發展，工業控制系統結構正發生著巨大的變化，逐步形成了以網絡集成自動化為基礎的企業信息系統。該系統是分層式的網絡結構，從生產現場底層開始，可分為現場控制層、過程監控層、生產管理層和市場管理層。

　　市場管理層融合外界商業網點、原材料和部件供應鏈以及生產基地的信息，是跨越工廠或企業的信息網絡。Internet作為國際互聯網，已成為當代信息社會的高速公路。Internet通過TCP/IP協議為基礎建立起來的傳輸機制得到迅速發展和廣泛應用。近年來，隨著電子商務的興起，使得企業的市場管理越來越依靠Internet，通過web網，企業可以了解市場動態，以最快的速度、最低的消耗指揮企業的生產。

　　生產管理層完成生產計劃、調度、人事、財務等管理功能，是工廠局域網的上層，多由以太網組成。

　　過程監控層接收來自工廠現場的信息，進行高級控制與優化計算等，它也可用速度較快的以太網構成。它與市場管理層組成企業決策、計劃、調度、科學研究等完整功能的管理系統。

　　現場控制層是工廠局域網的最底層，擔負著生產第一線測量控制的特殊任務。在該層由于現場總線技術的出現和應用，把控制領域帶入了一個新的時代。但是，目前在該層中現場總線協議的數目眾多，不同協議的兼容問題一直困擾著工業界。而在現場控制層引入以太網不僅使現場層、監控層和管理層在垂直層面容易集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上集成的成本。所以向以太網靠攏將成為今后現場控制層發展的一個趨勢。

　　生產管理、過程監控和現場控制各層均可采用以太網，構成了企業局域網，企業局域網可以大量采用Internet技術，并提供與Internet的互聯。

2、為什么工業控制系統需要以太網

　　工業控制系統即企業信息系統的底層一般是現場總線。目前現場總線標準的特點是通信協議比較簡單，通信速率比較低。如基金會現場總線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，傳輸的數據必將趨于復雜，甚至傳輸的是web網頁，因此網絡傳輸的高速性在工業控制系統中變得更為重要。

　　隨著智能傳感器和各種智能設備的應用以及工業管理自動化的深入，在未來幾年內，信息量估計還要增加幾十倍。管理者希望得到更多的實時信息，而不希望只能在一段時間后，才能得到匯總信息。這樣，工業以太網就以其價廉、高速、方便的特性而獲得重視。

　　基于以太網的分布式輸入/輸出應用幾乎是不受任何限制的，它們可以包括以下這些方面：

　　·從相同的局域網但是在不同的建筑物中獲取數據。

　　·利用一臺以上計算機訪問一臺或更多的分布式輸入/輸出設備。

　　·利用跨越不同城市或不同國家的因特網獲取數據。

　　·利用一個基于以太網的骨干網連接現存的專有工業網絡。

　　·使用以太網取代開銷大的專用網絡。

　　·利用以太網可以處理比大多數工業通信總線寬得多的帶寬需求。

　　許多高速連接方案，如現場總線基金會（fieldbus fundation , FF）的高速以太網HSE和PROFIBUS聯合會（profibus trade organization）的PROFIBUS以太網就是抓住了這樣的機遇，建立在以太網之上而獲得成功的。

3、關于以太網與TCP/IP

　　在ISO/OSI七層參考模型中，以太網本身只定義了物理層和數據鏈路層。作為一套完整的網絡傳輸協議，必須具備高層控制協議，以太網選擇了TCP/IP協議。IP（網際協議）用以提供無連接的數據報服務，確定信息傳遞的路線，而TCP（傳輸控制協議）則是用以提供數據傳輸的可靠性。雖然TCP/IP并不是專為以太網而設計的，然而實際中它們已經密不可分。由于Internet也使用TCP/IP協議，這就為以太網與因特網的互聯奠定了基礎。

　　IP為每個數據包提供獨立尋址的能力，但不能保證每個數據包都能正確地到達目的地，網絡阻塞和傳輸錯誤都可能使數據包丟失。而TCP可以解決這一問題，它在兩站點之間建立一條可靠的連接通道，保證數據流的正確傳遞。

　　以太網的高層控制協議選擇TCP/IP協議的優勢是：

　　·TCP/IP協議已是國際公認的工業標準，易于建造開放的工業控制網絡。

　　·通過TCP/IP編程接口，易于開發工業以太網絡的應用軟件。

　　·局域網的網絡性能好，出現差錯的概率小，合理的利用TCP和UDP（用戶數據報協議）的優點，就能夠滿足工業以太網的實時性與可靠性的要求。

　　隨著Internet的快速發展，以太網已成為事實上的工業標準，TCP/IP簡單實用已深入人心，為廣大用戶所接受。

4、拓撲結構隨傳輸介質而定

　　基于10BASE-T和100BASE-TX的以太網絡使用星形拓撲結構，這是最流行的一種結構。使用同軸電纜的以太網絡使用總線拓撲結構，它允許更多的設備共享以太網而卻沒利用集線器HUB或中繼器。

　　以太網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，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，它們只適應于10BASE-T連接。5類線支持100BASE-TX連接，速度為100Mbps。

　　星形拓撲結構使用UTP電纜，這種情況下，任何一段只有兩個設備，其中之一通常是一個HUB或一個交換器。最大段長度是100米用于星形網與總線網之間。

　　其它布線選擇方案包括同軸電纜和光纖。10BASE2（稱為細纜）與10BASE5（稱為粗纜）使用細同軸電纜與粗同軸電纜。同軸電纜傳輸介質決定使用總線拓撲結構，可以比星形拓撲結構的系統接納更多的設備。

　　光纖電纜使用星形拓撲結構就象UTP電纜一樣，而它可以將距離延伸至2000米。

5、互連網絡的基本連接設備

　　有幾種基本網絡連接設備可提供給用戶。它們用于分隔和改善網絡性能。

　　·集線器/中繼器：集線器（也稱為中繼器）由連接分段來增加網絡的長度。被認為是碰撞范圍的聯網概念定義在相同邏輯子網上所有接收設備和發送設備的數目。隨著更多的設備加入一個分段，碰撞范圍增加，即兩個設備之間的通信碰撞更加可能發生。

　　·交換器/網橋：從另一方面來說，交換器和網橋把網絡分段分成隔離的碰撞范圍。它們快速地分析每一個以太網數據包，并且只把定址到具體設備的那些數據包發送到那個設備。應用開關網絡意味著設備不會接收網絡信息量的全部而只是接收相關的信息。依靠把一個網絡分成若干個分離的碰撞范圍的方法，可以強有力地增加整個網絡的性能。

　　·路由器：使用路由器可以把自治網絡和數據探測與控制網絡分開，把兩種網絡置于它們自己的邏輯范圍內。這樣就把指向各個設備的傳輸信息量最小化了。

6、對信息傳遞的影響

　　基于以太網的分布式輸入/輸出系統的性能主要取決于網絡建立和運行的方式。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數據的分段上所有設備的數量。

　　基于以太網的網絡（IEEE802.3標準）使用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）技術。CSMA/CD在以太網的物理層實現，還包括介質訪問控制MAC子層。在物理層每一個設備監聽網絡，并且等待直到總線上無人在對話時才訪問總線（即載波監聽）。

　　當兩個或更多的設備在同一時間開始傳輸時，就會發生沖突，MAC檢測沖突。當沖突發生時，所涉及的設備在一個隨機的時間間隔（0到2秒）內試圖重新傳輸，最高可達16次。運行良好的經驗法則告訴我們，總線上的最佳通信量應少于最大值的36%，才可以維持有效的信息傳遞。

7、從辦公室以太網獲得的啟示

　　在工業環境中使用以太網的明顯理由是可以實現低成本、速度以及工業設備的可用性的最理想結合。隨著以太網從辦公室里走了出來，現在它已得到顯著的發展并且變得更加穩定。

　　反對在工業環境中使用以太網的主要理由如下所述：

　　·它是不確定的，因此在實時控制與可靠性操作要求非常高的場合中，以太網不是最好的選擇。

　　·它可能經受不起所有的苛刻環境。因為通過嚴格的環境測試的以太網集線器和電纜幾乎沒有。

　　·一個單獨的數據包的總開銷很大——對實際數據的識別內容和路由選擇的內容的比值比采用專門的工業網絡協議要大得多。

　　·以太網在總線上不提供電源，因此必須要有額外的供電電纜。

　　然而，仔細地設計以太網網絡，同時使用適當的設備，就可以取得可靠的操作。另外，以太網的通信速率一再提高，10Mbps和100Mbps以太網已經可以使用了，千兆位以太網正得到發展，而且萬兆位以太網也正在加緊研制中。通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕，而減輕網絡負荷則意味著提高了確定性。如6所述，若網絡負荷不超過36%，以太網發生碰撞的可能性極小。

　　需要特別指出的是，交換技術的快速發展已經消除了以太網應用于控制系統的障礙。交換式以太網技術產生于1992年。這項技術使得多個網上設備之間同時進行通信時不會有沖突發生。其做法是把網絡用交換器分割成互不相連的幾個網段，每個設備獨占一個網段，從而大大降低沖突的可能性。

8、以太網與Internet集成用于工業控制

　　以太網已經成為一種普遍存在的工具而用于企業組織。由于使用以太網作為傳輸媒介，Internet已經發展起來，而且正在改變著跨越許多工業部門做買賣的方式、方法。Internet已經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與自動化應用一起工作，使用帶有web接口的軟件，Internet就能夠調節統計上的過程信息和其它過程信息。

　　為了管理部門或供應商的利益，Internet軟件還能發布信息。顧客能找到自己的訂貨狀態，而供應商能看到運轉著的工廠操作。有關工藝規程、已加工的貨物以及報表等級的業務信息將簡化適時的交貨。

　　這種實時的工廠管理已經成為競爭性優越條件中所必需的。適時生產不僅對于企業的發展是必要的，而且實際上對于企業的生存也是必要的。Internet將是實現上述目的的關鍵工具。

　　使用Internet的另一個應用是預防性維修。基于web 網的軟件與主要機械裝置集成，可以向機器制造商提供有用的信息。檢修技術人員可以從任何地方請求聯機，有助于檢查并排除故障。這樣會減少機器的停機時間并減少了相關的費用。

　　需要并正在進行改進的領域是基于web的控制。目前，由于缺乏關于以太網與Internet的確定結合方案，使得我們還難以擔保這樣的控制萬無一失。

　　作為一個例子，現場總線基金會FF的高速以太網HSE就明確表示它是一種具有控制功能的Internet。HSE連接器將遠端H1網段的信息傳遞到以太網主干線上。這些信息通過Internet傳到主控室，在那里操作員可以通過網絡瀏覽器就能監控生產過程。控制信息也可同樣被管理系統所獲取。

　　將Internet的力量與一種高效的以太網結構結合起來，HSE可以說是企業理想的把控制與管理聯系起來的現場網絡。

9、結束語

　　過去十幾年中Internet的興起和Windows、Unix操作系統逐漸處于主導地位，象TCP/IP及一些定義明確的傳輸協議得到廣泛應用。電子商務的出現使企業生產管理營銷的觀念發生著巨大變化。能夠走出辦公室，在任何城市、任何地方利用電話線通過Internet對企業生產進行監視控制，無疑是現代企業提高生產率、增強競爭力的有效手段。為獲取這樣的手段，將以太網應用到工業控制領域無疑是最方便最有效的解決方案。

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