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。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。
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)引人控制系統(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,軟件方面需要很大的開銷,并且復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)使系統(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。
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,如圖1所示。
圖1 集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
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,它還使用大量的模擬信號(hào),很多現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(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)代跨國公司的進(jìn)一步發(fā)展。
為了克服DES 系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要,現(xiàn)場總線技術(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)。它專門用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián),是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成,現(xiàn)場總線的出現(xiàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用。
但是FE也有許多瓶頸問題:
首先,現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)種類過多,且各有自己的優(yōu)勢和適用范圍,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)場總線同時(shí)存在,由于總線通信協(xié)議的多樣性。這樣會(huì)造成工業(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)等變得相對(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。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)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/I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,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。
2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢
(1)Ethernet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),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)場總線快很多。
(5)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。
圖2 傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)
2.2 工業(yè)以太網(wǎng)存在的一些問題
2.2.1 實(shí)時(shí)性問題
在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件的反應(yīng)時(shí)間的可測性。也就是說,在一個(gè)事件發(fā)生后。系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見的時(shí)間范圍內(nèi)做出反映。然而,工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格,往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十毫秒內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD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)接點(diǎn)平等競爭總線,當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)候,就得重發(fā)數(shù)據(jù),最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一旦出現(xiàn)掉線,那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間,就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備。人身安全事故。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o3.2.2 適應(yīng)性與可靠性:
以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)的。并不是從工業(yè)網(wǎng)出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場,面對(duì)惡劣的工況,嚴(yán)重的線間干擾等,這些都必然會(huì)引起其可靠性降低。而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性、以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí),不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序,操作系統(tǒng)。甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。
2.2.3 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。
2.2.4 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。
2.3 以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的解決機(jī)制
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。
2.3.1 交換式以太網(wǎng)技術(shù)
為了改善以太網(wǎng)負(fù)載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,采用全雙工通信,可以完全避免ESMA/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。
2.3.2 高速抗擾以太網(wǎng)
我們知道當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載越大的時(shí)候,發(fā)生沖突的概率也就越大。有資料顯示當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷低于36%時(shí),基本上不會(huì)發(fā)生沖突。在負(fù)荷為1O%以下時(shí),10M 以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每五年一次。
100M 以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每15年一次。但超過36%后隨著負(fù)荷的增加發(fā)生沖突的概率是以幾何級(jí)數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度,就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。幸運(yùn)的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達(dá)100M/s。1G/s的高速以太網(wǎng)。再加上細(xì)致全面的設(shè)計(jì)及對(duì)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制,和工業(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,完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
2.3.3 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。
2.3.4 本質(zhì)安全和網(wǎng)絡(luò)安全
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。
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,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)和嵌人式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)。從目前趨勢來看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場控制級(jí)毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來,它還難以完全取代現(xiàn)場總線,作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn),在很長的一段時(shí)期內(nèi)已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的情況是發(fā)展一種多種網(wǎng)絡(luò)并存的混合式控制系統(tǒng)。
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