以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用及未來展望

　　以太網(wǎng)

　　以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。

　　IEEE802.3規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。歷經(jīng)100M以太網(wǎng)在上世紀(jì)末的飛速發(fā)展后，千兆以太網(wǎng)甚至10G以太網(wǎng)正在國際組織和領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)的推動下不斷拓展應(yīng)用范圍。

　　常見的802.3應(yīng)用為：

　　10M： 10base-T （銅線UTP模式）

　　100M： 100base-TX （銅線UTP模式）

　　100base-FX（光纖線）

　　1000M： 1000base-T（銅線UTP模式）

　　工業(yè)以太網(wǎng)

　　一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)是專門為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計算機(jī)和商用計算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，需達(dá)到以下幾個方面的要求。

　　（1） 適應(yīng)性

　　包括機(jī)械特性（耐振動、耐沖擊）、環(huán)境特性（工作溫度要求為-40~+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?） 可靠性

　　由于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。

　?。?） 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)

　　對應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型兩類。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、造價低；可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換；安全可靠性高；適用范圍廣。實現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5V工作電源），因此低功耗的現(xiàn)場設(shè)備（如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）設(shè)計難以實現(xiàn)。因此，在目前的技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。

　?。?） 安裝方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

　　由于以太網(wǎng)無可爭議的優(yōu)勢，將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域正成為人們關(guān)注的熱點。介紹了企業(yè)信息化系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，分析了以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域要解決的一些問題，展示了以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展前景。

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，實際應(yīng)用對控制系統(tǒng)的要求越來越高。在20世紀(jì)50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨后是在70～80年代，集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）的出現(xiàn)，把大量分散的單回路測控系統(tǒng)通過計算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計算機(jī)實現(xiàn)回路調(diào)節(jié)、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等多種功能，從而實現(xiàn)了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。

　　DCS一般由操作站級、過程控制級和現(xiàn)場儀表三級組成，其特點是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個局部的不可靠而造成對整個系統(tǒng)的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟，極大地提高了整個系統(tǒng)的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主流。但DCS的結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系，底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過主機(jī)，從而造成主機(jī)負(fù)荷過重，效率低下，并且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會“癱瘓”。而且DCS是一種數(shù)字—模擬混合系統(tǒng)，現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議封閉，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用。

　　進(jìn)入90年代，具有數(shù)字化的通信方式、全分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高度的環(huán)境適應(yīng)性等特點的現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉(zhuǎn)入現(xiàn)場智能儀表，而在此基礎(chǔ)上形成的新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層、控制層和信息層。采用了現(xiàn)場總線技術(shù)使控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備成為可能，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不僅是通信標(biāo)準(zhǔn)，同時也是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。FCS正在走向取代DCS并推動著工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍。

? ? ? ?以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制時存在的問題

　　傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò)，要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

　?。?） 存在實時性差，不確定性的問題

　　傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制，各個節(jié)點采用BEB（Binary Exponential Back-off）算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)。通信時節(jié)點監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應(yīng)確定性，不能滿足工業(yè)過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

　?。?） 工業(yè)可靠性問題

　　以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車間底層應(yīng)用，必須要解決可靠性的問題。

　?。?） 以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜

　　工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

　?。?） 以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)

　?。?） 安全性問題

　　以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。沒有授權(quán)的用戶可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理，但針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究。

　　（6） 現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問題

　　上述這些問題中，實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。

　　結(jié)論

　　以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的新趨勢，在工業(yè)通信和自動化系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，其優(yōu)越的性能，為您的應(yīng)用帶來巨大的利益：通過簡單的連接方式快速裝配。通過不斷的開發(fā)提供了持續(xù)的兼容性，因而保證了投資的安全。通過交換技術(shù)提供實際上沒有限制的通訊性能。各種各樣聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如辦公室環(huán)境和生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)。

　　在工業(yè)通信和自動化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段，向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放性方向發(fā)展，將是各種工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。市場占有率高達(dá)80%，

　　以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛、成長最快的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時，基于IP的全程一體化尋址，為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn)、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。