工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)特點(diǎn)

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)之后產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。通過簡(jiǎn)要介紹工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程，并詳細(xì)論述工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了工業(yè)以太網(wǎng)以其全開放的特點(diǎn)必然會(huì)受到廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合的觀點(diǎn)。 關(guān)鍵字：工業(yè)以太網(wǎng),全開放,無縫整合,CSMA/CD,TCP/IP The Development and Technical Characters of Industrial Ethernet Abstract: Industrial Ethernet control system is a new type of industrial control system behind of distributed control system (DCS) and fieldbus control system (FCS). According to the brief introduction of the development of industrial control network and the detailed description of the characteristics of industrial Ethernet, we can conclude industrial Ethernet will be applied widely depend on the feature of total opening. It realizes seamless concordance between industrial control network and data information network. Keyword: Industrial Ethernet, total opening, seamless concordance, CSMA/CD, TCP/IP 0 前言 傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)．隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化要求的不斷提高，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所擔(dān)負(fù)的工作越來越重。與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)不同，工業(yè)控制領(lǐng)域需要一種高速廉價(jià)、實(shí)時(shí)性和開放性好、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高的網(wǎng)絡(luò)。 以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢(shì)。近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)性能要求越來越高,以太網(wǎng)正逐步進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)的開放性使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。 1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是伴隨著控制系統(tǒng)的變革而發(fā)展起來的。控制系統(tǒng)經(jīng)歷了基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和近幾年流行起來的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)等六個(gè)階段。 對(duì)于基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)和電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)只是驅(qū)動(dòng)方式的改變，兩類控制系統(tǒng)只能對(duì)單一回路進(jìn)行控制，而各個(gè)回路之間不能夠交換信息，每一個(gè)回路是一個(gè)獨(dú)立的信息孤島，并不屬于網(wǎng)絡(luò)的范疇。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被引入控制系統(tǒng)，它不僅能夠完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理操作，更主要的是可以直接根據(jù)輸入的給定值、過程變量和過程中其他的測(cè)定值，通過PID或其它高級(jí)控制算法，得出它的操作變量即輸出值送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。這就是我們所說的計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)（CCS）的控制思想。集中控制系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接面向控制對(duì)象，尚未形成網(wǎng)絡(luò)體系。盡管將計(jì)算機(jī)引入控制系統(tǒng)使得一些高級(jí)控制算法得以實(shí)現(xiàn)，然而，隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化，軟件發(fā)面需要很大的開銷，并且復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的升級(jí)能力較弱；計(jì)算機(jī)工作是需要集中控制幾十個(gè)，甚至上百個(gè)回路，這就使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性得不到保證[2]。 真正意義的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系是七十年代出現(xiàn)的第二代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng):分散型控制系統(tǒng)DCS(也稱集散控制系統(tǒng))。它是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，DCS的特點(diǎn)是“集中管理，分散控制”，這些系統(tǒng)完整地體現(xiàn)了分散化和分層化的思想。目前所使用的DCS有環(huán)形、總線形和分級(jí)式幾種,其中分級(jí)式應(yīng)用最為普遍，如1所示。然而，集散控制系統(tǒng)也有其明顯的缺點(diǎn)：首先，結(jié)構(gòu)是多級(jí)主從關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間相互通信必須經(jīng)過主機(jī)，使得主機(jī)負(fù)荷重、效率低，且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰；其次，它還是用大量的模擬信號(hào)，很多現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然使用傳統(tǒng)的4—20mA電流模擬信號(hào)，傳輸可靠性差，不易于數(shù)字化處理；第三，各系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠家的DCS制定獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議不開放，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用，不利于現(xiàn)代跨國(guó)公司的進(jìn)一步發(fā)展。 為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它將系統(tǒng)的控制功能進(jìn)一步下放，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一種全數(shù)字化、全分散、可互操作、開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他專門用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成，如圖1所示。但是FCS也有許多瓶頸問題：首先，現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)難種類過多，且各有自己的優(yōu)勢(shì)和適用范圍，用戶如何取舍是比較棘手的問題；其次，控制系統(tǒng)中如果有多種現(xiàn)場(chǎng)總線同時(shí)存在，用戶希望將工業(yè)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫集成，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜；另外在本質(zhì)安全、系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面存在一些技術(shù)瓶頸或不符合現(xiàn)代企業(yè)對(duì)信息的要求[5]。 事實(shí)上，各種控制系統(tǒng)存在缺點(diǎn)的問題最根本原因在于控制系統(tǒng)德的開放性差或者開放性是有條件的，不徹底的。為了解決該問題而出現(xiàn)了以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，下面對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn) 以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì),由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。 以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：○1Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；○2以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)[1]，如圖2所示；○3軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇；○4通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對(duì)信息量的需求也越來越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快很多?！?可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。 以太網(wǎng)進(jìn)人工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣也存在一些問題，其中主要的是：○1實(shí)時(shí)性問題：以太網(wǎng)采用的CSMA／CD的介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的。一條總線上掛多個(gè)節(jié)點(diǎn)平等競(jìng)爭(zhēng)總線，等待總線空閑。這種方式很難滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求。這也是以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工控領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸；○2對(duì)工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性：以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)的，需要使抗干擾能力、外觀設(shè)計(jì)等符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求?！?適用于工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用層協(xié)議，目前信息網(wǎng)絡(luò)中定義的應(yīng)用層協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。因此，還需定義統(tǒng)一的應(yīng)用層規(guī)范。 ○4本質(zhì)安全和網(wǎng)絡(luò)安全：工業(yè)以太網(wǎng)如果用在易燃易爆的危險(xiǎn)工作場(chǎng)所，必須考慮本質(zhì)安全問題。另外，工業(yè)以太網(wǎng)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。○5QOS(Quality of Service)問題:隨著技術(shù)的進(jìn)步,在工廠控制底層的信號(hào)已不局限在單純的數(shù)字和模擬量上,而是包括Audio及低分辨的Video信號(hào),網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)不同用戶需求及不同的內(nèi)容適度地保證實(shí)時(shí)性的要求。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以上出現(xiàn)的問題已經(jīng)完全或部分得到解決。○1近些年來出現(xiàn)了快速交換式以太網(wǎng)技術(shù),采用全雙工通信,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制,保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實(shí)時(shí)性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率；○2對(duì)于不同工業(yè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商采取了專門的抗干擾措施，使其更加符合工業(yè)需求；○3在應(yīng)用層協(xié)議方面用戶可以根據(jù)需要對(duì)TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行增減，另外還需要制定更加符合工業(yè)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；○4設(shè)備生產(chǎn)商提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的器件，使用密封性好，堅(jiān)固、抗震動(dòng)的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件用來解決本質(zhì)安全問題；采用用戶密碼、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，但針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究；○5隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提高和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的進(jìn)一步完善，QOS問題也得到了解決[4]-[3]。 3 結(jié)論 綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比較具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在多種工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著集成電路、工業(yè)以太網(wǎng)和嵌入式Internet技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)代將會(huì)很快到來，并成為最具開放性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這種新型的網(wǎng)絡(luò)體系，與現(xiàn)場(chǎng)總線在以太網(wǎng)方面的發(fā)展相呼應(yīng)，對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)變革，必將為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來新的天地。但是，在某些領(lǐng)域例如：汽車控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等，由于其工作條件惡劣、實(shí)時(shí)性、可靠性要求高，均不適合工業(yè)以太網(wǎng)。從目前趨勢(shì)來看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來,它還難以完全取代現(xiàn)場(chǎng)總線,作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)已有的現(xiàn)場(chǎng)總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的情況是發(fā)展一種多種網(wǎng)絡(luò)并<