摘要：近些年來,隨著網絡技術的發(fā)展和工業(yè)控制領域對網絡性能要求越來越高,以太網正逐步進入工業(yè)控制領域,形成了新型的以太網控制網絡技術。工業(yè)以太網的開放性使得工業(yè)控制網絡和企業(yè)信息網絡的無縫整合方面具有無可比擬的優(yōu)勢。
前言
傳感器技術、通信技術和計算機技術是現代信息技術的三大基礎.隨著IT技術的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化要求的不斷提高，工業(yè)控制網絡所擔負的工作越來越重。與數據信息網絡不同，工業(yè)控制領域需要一種高速廉價、實時性和開放性好、穩(wěn)定性和準確性高的網絡。
以太網(Ethernet)技術支持幾乎所有的網絡協(xié)議,所以在數據信息網絡中得到廣泛應用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設備多等方面的優(yōu)勢。近些年來,隨著網絡技術的發(fā)展和工業(yè)控制領域對網絡性能要求越來越高,以太網正逐步進入工業(yè)控制領域,形成了新型的以太網控制網絡技術。工業(yè)以太網的開放性使得工業(yè)控制網絡和企業(yè)信息網絡的無縫整合方面具有無可比擬的優(yōu)勢。
1 工業(yè)控制網絡的發(fā)展
工業(yè)控制網絡的發(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)經歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現場總線控制系統(tǒng)和近幾年流行起來的工業(yè)以太網控制系統(tǒng)等六個階段。
對于基地式氣動儀表控制系統(tǒng)和電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)只是驅動方式的改變，兩類控制系統(tǒng)只能對單一回路進行控制，而各個回路之間不能夠交換信息，每一個回路是一個獨立的信息孤島，并不屬于網絡的范疇。
隨著計算機技術的發(fā)展，計算機被引入控制系統(tǒng)，它不僅能夠完成對數據的處理操作，更主要的是可以直接根據輸入的給定值、過程變量和過程中其他的測定值，通過PID或其它高級控制算法，得出它的操作變量即輸出值送給執(zhí)行機構完成控制功能。這就是我們所說的計算機集中控制系統(tǒng)(CCS)的控制思想。集中控制系統(tǒng)由于其結構簡單，直接面向控制對象，尚未形成網絡體系。盡管將計算機引入控制系統(tǒng)使得一些高級控制算法得以實現，然而，隨著生產過程的復雜化，軟件發(fā)面需要很大的開銷，并且復雜的軟件結構是系統(tǒng)的升級能力較弱;計算機工作是需要集中控制幾十個，甚至上百個回路，這就使得系統(tǒng)的實時性、可靠性得不到保證。
真正意義的工業(yè)控制網絡體系是七十年代出現的第二代計算機控制系統(tǒng):分散型控制系統(tǒng)DCS(也稱集散控制系統(tǒng))。它是隨著網絡技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，DCS的特點是“集中管理，分散控制”，這些系統(tǒng)完整地體現了分散化和分層化的思想。目前所使用的DCS有環(huán)形、總線形和分級式幾種,其中分級式應用最為普遍，如圖1所示。然而，集散控制系統(tǒng)也有其明顯的缺點：首先，結構是多級主從關系，現場設備之間相互通信必須經過主機，使得主機負荷重、效率低，且主機一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會崩潰;其次，它還是用大量的模擬信號，很多現場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4—20mA電流模擬信號，傳輸可靠性差，不易于數字化處理;第三，各系統(tǒng)設計廠家的DCS制定獨立的標準，通訊協(xié)議不開放，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應用，不利于現代跨國公司的進一步發(fā)展。
為了克服DCS系統(tǒng)的技術瓶頸,進一步滿足工業(yè)現場的需要,現場總線技術應運而生,它將系統(tǒng)的控制功能進一步下放，現場總線網絡實際上是一種全數字化、全分散、可互操作、開放式的互聯(lián)網絡。他專門用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互聯(lián)，是現場通信網絡和控制系統(tǒng)的集成，如圖1所示。但是FCS也有許多瓶頸問題：首先，現有的現場總線標難種類過多，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)中如果有多種現場總線同時存在，用戶希望將工業(yè)控制系統(tǒng)與數據信息網絡實現無縫集成，真正實現企業(yè)級管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)會變得相對復雜;另外在本質安全、系統(tǒng)可靠性、數據傳輸速度等方面存在一些技術瓶頸或不符合現代企業(yè)對信息的要求。
事實上，各種控制系統(tǒng)存在缺點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了以TCP/IP協(xié)議為基礎的工業(yè)以太網技術，下面對工業(yè)以太網技術進行詳細介紹。
2 工業(yè)以太網技術的特點
以太網具有傳輸速度高、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絡協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來,隨著網絡技術的發(fā)展,以太網進入了控制領域,形成了新型的以太網控制網絡技術。這主要是由于工業(yè)自動化系統(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。
以太網技術引入工業(yè)控制領域，其技術優(yōu)勢非常明顯：1Ethernet是全開放、全數字化的網絡，遵照網絡協(xié)議不同廠商的設備可以很容易實現互聯(lián);2以太網能實現工業(yè)控制網絡與企業(yè)信息網絡的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網絡，如圖2所示;3軟硬件成本低廉，由于以太網技術已經非常成熟，支持以太網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)模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數據的傳輸，目前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網開始廣泛應用，千兆以太網技術也逐漸成熟，10G以太網也正在研究，其速率比目前的現場總線快很多。5可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。
以太網進人工業(yè)控制領域，同樣也存在一些問題，其中主要的是：1實時性問題：以太網采用的CSMA/CD的介質訪問控制方式，其本質上是非實時的。一條總線上掛多個節(jié)點平等競爭總線，等待總線空閑。這種方式很難滿足工業(yè)控制領域對實時性的要求。這也是以太網技術進入工控領域的技術瓶頸;2對工業(yè)環(huán)境的適應性與可靠性：以太網是按辦公環(huán)境設計的，需要使抗干擾能力、外觀設計等符合工業(yè)現場的要求。3適用于工業(yè)自動化控制的應用層協(xié)議，目前信息網絡中定義的應用層協(xié)議所定義的數據結構等特性不適合應用于工業(yè)過程控制領域現場設備之間的實時通信。因此，還需定義統(tǒng)一的應用層規(guī)范。 4本質安全和網絡安全：工業(yè)以太網如果用在易燃易爆的危險工作場所，必須考慮本質安全問題。另外，工業(yè)以太網由于使用了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絡安全威脅。5QOS(Quality of Service)問題:隨著技術的進步,在工廠控制底層的信號已不局限在單純的數字和模擬量上,而是包括Audio及低分辨的Video信號,網絡應能根據不同用戶需求及不同的內容適度地保證實時性的要求。
隨著網絡技術的不斷發(fā)展，以上出現的問題已經完全或部分得到解決。1近些年來出現了快速交換式以太網技術,采用全雙工通信,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地實現優(yōu)先級機制,保證網絡帶寬的最大利用率和最好的實時性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率;2對于不同工業(yè)環(huán)境網絡設備生產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在應用層協(xié)議方面用戶可以根據需要對TCP/IP協(xié)議棧進行增減，另外還需要制定更加符合工業(yè)要求的網絡協(xié)議;4設備生產商提供適應工業(yè)環(huán)境的器件，使用密封性好，堅固、抗震動的以太網設備與連接件用來解決本質安全問題;采用用戶密碼、數據加密、防火墻等多種安全機制加強網絡的安全管理，但針對工業(yè)自動化控制網絡安全問題的解決方案還需要認真研究;5隨著網絡速度的提高和網絡協(xié)議的進一步完善，QOS問題也得到了解決。
3 結論
綜上所述，工業(yè)以太網控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比較具有很大的優(yōu)勢，可以應用在多種工業(yè)控制領域。隨著集成電路、工業(yè)以太網和嵌入式Internet技術研究的進一步深入，基于以太網的工業(yè)控制網絡時代將會很快到來，并成為最具開放性的工業(yè)控制網絡體系結構。這種新型的網絡體系，與現場總線在以太網方面的發(fā)展相呼應，對傳統(tǒng)的工業(yè)控制網絡是一個變革，必將為工業(yè)控制領域帶來新的天地。但是，在某些領域例如：汽車控制系統(tǒng)、數控機床等，由于其工作條件惡劣、實時性、可靠性要求高，均不適合工業(yè)以太網。從目前趨勢來看,工業(yè)以太網進入現場控制級毋庸置疑。但至少現在看來,它還難以完全取代現場總線,作為實時控制通信的單一標準。在很長的一段時期內已有的現場總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的情況是發(fā)展一種多種網絡并存的混合式控制系統(tǒng)。
