以太网在工业控制中的应用综述

    1、引言

    在工业生产中，随着生产规模的扩大和复杂程度的提高，实际应用对控制系统的要求越来越高。在20世纪50～60年代，以模拟信号为主的电子装置和自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70～80年代，集散控制系统DCS（Distributed Control System）的出现，把大量分散的单回路测控系统通过计算机进行集中统一管理，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，从而实现了工业控制技术的飞跃。
   
    DCS一般由操作站级、过程控制级和现场仪表三级组成，其特点是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部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，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。但DCS的结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过主机，从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4～20mA模拟信号，工程与管理成本高，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，具有数字化的通信方式、全分散的系统结构、开放的互联网络、多种传输媒介和拓扑结构、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，而在此基础上形成的新的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）综合了数字通信技术、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，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—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、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为设备层、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信标准，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H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等８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表明，在相当长的一段时期内，将出现多种现场总线并存的局面，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、低成本的解决方案。8种类型的现场总线采用不同的通信协议，要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的。每种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，对用户来说，仍然是比较棘手的问题。
   
    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，特别是中国那些高速成长的终端用户，在企业的不同发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。如何把企业的工业控制网络与管理层的数据网络进行无缝地集成，从而使整个企业实现管控一体化，显得十分关键。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距离，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，因此许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，使网络上的信息流动最小化。同时通信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，主要表现在以下几个方面。

    （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，这一点目前许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量。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，不容易掌握，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发展具有特别重要的意义。为了加快新一代控制系统的发展与应用，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结构简单、成本低廉、易于安装、传输速度高、功耗低、软硬件资源丰富、兼容性好、灵活性高、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）最早来源于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公司联合起草了以太网标准。1985年，IEEE802委员会吸收以太网为IEEE802.3标准，并对其进行了修改。以太网标准和IEEE802.3标准的主要区别是以太网标准只描述了使用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标准描述了运行在各种介质上的、数据传输率从1Mbps～10Mbps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描述。该规范规定采用载波侦听多路访问/冲突（碰撞）检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect），信号以10Mbps速率在同轴电缆上传输。
   
    按照ISO的OSI七层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统。以太网在成为数据链路和物理层的协议之后，就与TCP/IP紧密地捆绑在一起了。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的简单实用已为广大用户所接受，不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络、监控层网络也都广泛使用以太网技术，并开始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协议发展成为一系列以IP为基础的TCP/IP协议簇。
   
    在TCP协议中，网络层的核心协议是IP（Internet Protocol），同时还提供ARP（Address Resolution Protocol）、RARP（Reverse Address Resolution Protocol）、ICMP（Internet Control Messages Protocol）等协议。该层的主要功能包括处理来自传输层的分组发送请求（即组装IP数据报并发往网络接口）、处理输入数据报、转发数据报或从数据报中抽取分组、处理差错与控制报文（包括处理路由、流量控制、拥塞控制等）。
   
    传输层的功能是提供应用程序间（端到端）的通信服务，它提供用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）和传输控制协议TCP（Transfer Control Protocol）两个协议。UDP负责提供高效率的服务，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作；TCP负责提供高可靠的数据传送服务，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，易为人们所掌握，所以深受广大用户欢迎。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，适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，不同厂商的设备很容易互联，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，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展。
   
    （2） 易于与Internet连接

    以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过Internet对企业进行监控，能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库。
   
    （3） 成本低廉

    采用以太网能降低成本，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生产厂商的广泛支持，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发展，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验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，在技术升级方面无需单独的研究投入，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
    
    （4）可持续发展潜力大

    由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术的持续发展。
   
    （5） 通信速率高

    目前以太网的通信速率为10M或100M，1000M、10G的快速以太网也开始应用，以太网技术也逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快得多，以太网可以满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BEB（Binary Exponential Back-off）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取得信息包的发送权。通信时节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息；如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，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信响应确定性，不能满足工业过程控制在实时性上的要求，甚至在通信繁忙时，还存在信息丢失的危险，从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标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要，如超高或超低的工作温度，大电机或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，必须要解决可靠性的问题。