-
-
手机阅读
1 引言
新型的工业计算机网络如新型集散控制系统（DCS）、现场总线（Fieldbus ）、工业以太网（Industrial Ethernet）以及计算机集成制造（CIMS）的出现，深刻地影响着自动化技术的发展。对于现场总线来说，由于各大公司的利益原因，现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开放性远未达到。随着技术的发展，企业要求工业网络从现场控制层到管理层实现全面的信息集成，并提供一个开放的基础构架，用户也希望不同厂家的产品能按同一种总线标准直接互连、互用和互可操作，这时传统以太网逐渐进入了控制领域，虽然现在仍然还没有达到统一的阶段。
2 工业控制领域引入以太网的原因
Ethernet作为一种成功的网络技术,在办公自动化和工业界获得了广泛地应用。因为Ethernet具有成本低、稳定和可靠等诸多优点,已经成为最受欢迎的通信网络之一。然而, 由于Ethernet 的MAC 层协议是CSMA/ CD ,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟,使之无法在工业控制中得到有效地使用。
随IT技术的发展 Ethernet 的发展也取得了本质性的飞跃,先后产生高速Ethernet 和千兆Ethernet 产品和国际标准,以及即将出现的十千兆Ethernet 产品和国际标准。针对排队延迟不确定性,Ethernet 又增加了双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性。同时又改进了容错技术。Ethernet 的新变化,已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视,
在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足要求。集散控制系统和其后出现的现场总线控制系统就是顺应这一趋势发展起来的技术。但是，1999年现场总线技术标准IEC-61158出台，8种现场总线都成为IEC的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通信标准。因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题。以太网的应用广泛，价格低廉、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等优点，于是成为首选的目标。
首先，基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。
其次，低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。
第三，以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。
第四，以太网易与Internet连接。任何地方都可以通过Internet对企业生产进行监视控制;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化。
3 以太网应用作现场总存在的主要问题
3.1 传输的实时性和确定性
以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）以及二进制指数退避算法（BEB），其实质是一种非确定性的网络系统。因此对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性，造成响应时间不确定，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性。以太网的不确定性是影响以太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一
3.2 工业可靠性
安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有较好的电磁兼容性。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，没有考虑工业现场环境的适应性需要。其所用插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，不符合工业现场恶劣环境的要求。
3.3 缺乏应用于控制领域的应用层协议
以太网标准仅仅定义了ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上TCP/IP协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是FTP，Telnet，SMTP，HTTP等。这些协议所规定的数据结构等特性不适合工业控制现场设备之间的实时通信。因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议。
4 工业以太网技术的改进方案
图 1 交换式以太网
4.1 通信确定性的改进
交换式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术中由于CSMA/CD媒介访问方法产生的不确定性问题，它与快速以太网、千兆以太网等技术相结合，使以太网的实时性、确定性得到了较大的改善。在图1中，采用以太网交换机，将网络分成若干网段。以太网交换机具有数据存储、转发功能，使各端口之间的输人输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞，同时交换机还对网络上传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点之间数据的传输仅限于本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。另外，采用全双工通信技术可以使端口之间的两对双绞线（或光纤）分别同时接收和发送数据，不会发生冲突。其次，以太网的通信速率从10 Mb/s,100 Mb/s发展到现在的1 000 Mb/s,10 Gb/s，在数据吞吐量相同情况下，通信介质的占用时间大大降低，有效地降低了网络碰撞概率。另外，在应用过程中，还可以采用控制网络通信负荷的方式来降低网络中信号碰撞冲突的概率。一些厂商开发出一些独到的技术手段运用到以太网上，采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。这种智能化的集线器还可以通过分配地址空间把内部通讯从外部通讯中分离开来，保持现场控制信息的独立性。实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，保证实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。在以太网的协议中加入实时功能，通过底层协议的集成，确保了以太网的确定性。
1楼
0
0
回复
新型的工业计算机网络如新型集散控制系统（DCS）、现场总线（Fieldbus ）、工业以太网（Industrial Ethernet）以及计算机集成制造（CIMS）的出现，深刻地影响着自动化技术的发展。对于现场总线来说，由于各大公司的利益原因，现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开放性远未达到。随着技术的发展，企业要求工业网络从现场控制层到管理层实现全面的信息集成，并提供一个开放的基础构架，用户也希望不同厂家的产品能按同一种总线标准直接互连、互用和互可操作，这时传统以太网逐渐进入了控制领域，虽然现在仍然还没有达到统一的阶段。
2 工业控制领域引入以太网的原因
Ethernet作为一种成功的网络技术,在办公自动化和工业界获得了广泛地应用。因为Ethernet具有成本低、稳定和可靠等诸多优点,已经成为最受欢迎的通信网络之一。然而, 由于Ethernet 的MAC 层协议是CSMA/ CD ,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟,使之无法在工业控制中得到有效地使用。
随IT技术的发展 Ethernet 的发展也取得了本质性的飞跃,先后产生高速Ethernet 和千兆Ethernet 产品和国际标准,以及即将出现的十千兆Ethernet 产品和国际标准。针对排队延迟不确定性,Ethernet 又增加了双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性。同时又改进了容错技术。Ethernet 的新变化,已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视,
在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足要求。集散控制系统和其后出现的现场总线控制系统就是顺应这一趋势发展起来的技术。但是，1999年现场总线技术标准IEC-61158出台，8种现场总线都成为IEC的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通信标准。因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题。以太网的应用广泛，价格低廉、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等优点，于是成为首选的目标。
首先，基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。
其次，低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。
第三，以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。
第四，以太网易与Internet连接。任何地方都可以通过Internet对企业生产进行监视控制;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化。
3 以太网应用作现场总存在的主要问题
3.1 传输的实时性和确定性
以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）以及二进制指数退避算法（BEB），其实质是一种非确定性的网络系统。因此对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性，造成响应时间不确定，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性。以太网的不确定性是影响以太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一
3.2 工业可靠性
安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有较好的电磁兼容性。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，没有考虑工业现场环境的适应性需要。其所用插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，不符合工业现场恶劣环境的要求。
3.3 缺乏应用于控制领域的应用层协议
以太网标准仅仅定义了ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上TCP/IP协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是FTP，Telnet，SMTP，HTTP等。这些协议所规定的数据结构等特性不适合工业控制现场设备之间的实时通信。因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议。
4 工业以太网技术的改进方案
图 1 交换式以太网
4.1 通信确定性的改进
交换式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术中由于CSMA/CD媒介访问方法产生的不确定性问题，它与快速以太网、千兆以太网等技术相结合，使以太网的实时性、确定性得到了较大的改善。在图1中，采用以太网交换机，将网络分成若干网段。以太网交换机具有数据存储、转发功能，使各端口之间的输人输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞，同时交换机还对网络上传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点之间数据的传输仅限于本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。另外，采用全双工通信技术可以使端口之间的两对双绞线（或光纤）分别同时接收和发送数据，不会发生冲突。其次，以太网的通信速率从10 Mb/s,100 Mb/s发展到现在的1 000 Mb/s,10 Gb/s，在数据吞吐量相同情况下，通信介质的占用时间大大降低，有效地降低了网络碰撞概率。另外，在应用过程中，还可以采用控制网络通信负荷的方式来降低网络中信号碰撞冲突的概率。一些厂商开发出一些独到的技术手段运用到以太网上，采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。这种智能化的集线器还可以通过分配地址空间把内部通讯从外部通讯中分离开来，保持现场控制信息的独立性。实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，保证实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。在以太网的协议中加入实时功能，通过底层协议的集成，确保了以太网的确定性。