以太网与web网相结合用于工业控制

摘 要：本文提出工业控制系统必须采用工业以太网，工业以太网应该与Internet集成。分析了以太网用于工业控制系统要解决的一些关键问题，阐述了一些看法。
关键词：以太网，工业控制系统，Internet
1、引言
　　随着计算机、通信、网络、控制等技术的发展，工业控制系统结构正发生着巨大的变化，逐步形成了以网络集成自动化为基础的企业信息系统。该系统是分层式的网络结构，从生产现场底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理层和市场管理层。
　　市场管理层融合外界商业网点、原材料和部件供应链以及生产基地的信息，是跨越工厂或企业的信息网络。Internet作为国际互联网，已成为当代信息社会的高速公路。Internet通过TCP/IP协议为基础建立起来的传输机制得到迅速发展和广泛应用。近年来，随着电子商务的兴起，使得企业的市场管理越来越依靠Internet，通过web网，企业可以了解市场动态，以最快的速度、最低的消耗指挥企业的生产。
　　生产管理层完成生产计划、调度、人事、财务等管理功能，是工厂局域网的上层，多由以太网组成。
　　过程监控层接收来自工厂现场的信息，进行高级控制与优化计算等，它也可用速度较快的以太网构成。它与市场管理层组成企业决策、计划、调度、科学研究等完整功能的管理系统。
　　现场控制层是工厂局域网的最底层，担负着生产第一线测量控制的特殊任务。在该层由于现场总线技术的出现和应用，把控制领域带入了一个新的时代。但是，目前在该层中现场总线协议的数目众多，不同协议的兼容问题一直困扰着工业界。而在现场控制层引入以太网不仅使现场层、监控层和管理层在垂直层面容易集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上集成的成本。所以向以太网靠拢将成为今后现场控制层发展的一个趋势。
　　生产管理、过程监控和现场控制各层均可采用以太网，构成了企业局域网，企业局域网可以大量采用Internet技术，并提供与Internet的互联。
2、为什么工业控制系统需要以太网
　　工业控制系统即企业信息系统的底层一般是现场总线。目前现场总线标准的特点是通信协议比较简单，通信速率比较低。如基金会现场总线FF的H1传输速率只有31.25kbps。但是随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据必将趋于复杂，甚至传输的是web网页，因此网络传输的高速性在工业控制系统中变得更为重要。
　　随着智能传感器和各种智能设备的应用以及工业管理自动化的深入，在未来几年内，信息量估计还要增加几十倍。管理者希望得到更多的实时信息，而不希望只能在一段时间后，才能得到汇总信息。这样，工业以太网就以其价廉、高速、方便的特性而获得重视。
　　基于以太网的分布式输入/输出应用几乎是不受任何限制的，它们可以包括以下这些方面：
　　·从相同的局域网但是在不同的建筑物中获取数据。
　　·利用一台以上计算机访问一台或更多的分布式输入/输出设备。
　　·利用跨越不同城市或不同国家的因特网获取数据。
　　·利用一个基于以太网的骨干网连接现存的专有工业网络。
　　·使用以太网取代开销大的专用网络。
　　·利用以太网可以处理比大多数工业通信总线宽得多的带宽需求。
　　许多高速连接方案，如现场总线基金会（fieldbus fundation , FF）的高速以太网HSE和PROFIBUS联合会（profibus trade organization）的PROFIBUS以太网就是抓住了这样的机遇，建立在以太网之上而获得成功的。
3、关于以太网与TCP/IP
　　在ISO/OSI七层参考模型中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层。作为一套完整的网络传输协议，必须具备高层控制协议，以太网选择了TCP/IP协议。IP（网际协议）用以提供无连接的数据报服务，确定信息传递的路线，而TCP（传输控制协议）则是用以提供数据传输的可靠性。虽然TCP/IP并不是专为以太网而设计的，然而实际中它们已经密不可分。由于Internet也使用TCP/IP协议，这就为以太网与因特网的互联奠定了基础。
　　IP为每个数据包提供独立寻址的能力，但不能保证每个数据包都能正确地到达目的地，网络阻塞和传输错误都可能使数据包丢失。而TCP可以解决这一问题，它在两站点之间建立一条可靠的连接通道，保证数据流的正确传递。
　　以太网的高层控制协议选择TCP/IP协议的优势是：
　　·TCP/IP协议已是国际公认的工业标准，易于建造开放的工业控制网络。
　　·通过TCP/IP编程接口，易于开发工业以太网络的应用软件。
　　·局域网的网络性能好，出现差错的概率小，合理的利用TCP和UDP（用户数据报协议）的优点，就能够满足工业以太网的实时性与可靠性的要求。
　　随着Internet的快速发展，以太网已成为事实上的工业标准，TCP/IP简单实用已深入人心，为广大用户所接受。
4、拓扑结构随传输介质而定
　　基于10BASE-T和100BASE-TX的以太网络使用星形拓扑结构，这是最流行的一种结构。使用同轴电缆的以太网络使用总线拓扑结构，它允许更多的设备共享以太网而却没利用集线器HUB或中继器。
　　以太网有多种不同的布线选择方案。最普通的一种是使用无屏蔽双绞线（UTP）电缆，这种电缆处理10BASE-T与100BASE-TX系统，类似于电话线。
　　UTP电缆是额定性能的。3类线与4类线允许各自的速度为16Mbps与20Mbps，它们只适应于10BASE-T连接。5类线支持100BASE-TX连接，速度为100Mbps。
　　星形拓扑结构使用UTP电缆，这种情况下，任何一段只有两个设备，其中之一通常是一个HUB或一个交换器。最大段长度是100米用于星形网与总线网之间。
　　其它布线选择方案包括同轴电缆和光纤。10BASE2（称为细缆）与10BASE5（称为粗缆）使用细同轴电缆与粗同轴电缆。同轴电缆传输介质决定使用总线拓扑结构，可以比星形拓扑结构的系统接纳更多的设备。
　　光纤电缆使用星形拓扑结构就象UTP电缆一样，而它可以将距离延伸至2000米。
5、互连网络的基本连接设备
　　有几种基本网络连接设备可提供给用户。它们用于分隔和改善网络性能。
　　·集线器/中继器：集线器（也称为中继器）由连接分段来增加网络的长度。被认为是碰撞范围的联网概念定义在相同逻辑子网上所有接收设备和发送设备的数目。随着更多的设备加入一个分段，碰撞范围增加，即两个设备之间的通信碰撞更加可能发生。
　　·交换器/网桥：从另一方面来说，交换器和网桥把网络分段分成隔离的碰撞范围。它们快速地分析每一个以太网数据包，并且只把定址到具体设备的那些数据包发送到那个设备。应用开关网络意味着设备不会接收网络信息量的全部而只是接收相关的信息。依靠把一个网络分成若干个分离的碰撞范围的方法，可以强有力地增加整个网络的性能。
　　·路由器：使用路由器可以把自治网络和数据探测与控制网络分开，把两种网络置于它们自己的逻辑范围内。这样就把指向各个设备的传输信息量最小化了。
6、对信息传递的影响
　　基于以太网的分布式输入/输出系统的性能主要取决于网络建立和运行的方式。有些问题值得注意。碰撞范围的概念定义了在一个接收和传输以太网数据的分段上所有设备的数量。
　　基于以太网的网络（IEEE802.3标准）使用带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术。CSMA/CD在以太网的物理层实现，还包括介质访问控制MAC子层。在物理层每一个设备监听网络，并且等待直到总线上无人在对话时才访问总线（即载波监听）。
　　当两个或更多的设备在同一时间开始传输时，就会发生冲突，MAC检测冲突。当冲突发生时，所涉及的设备在一个随机的时间间隔（0到2秒）内试图重新传输，最高可达16次。运行良好的经验法则告诉我们，总线上的最佳通信量应少于最大值的36%，才可以维持有效的信息传递。
7、从办公室以太网获得的启示
　　在工业环境中使用以太网的明显理由是可以实现低成本、速度以及工业设备的可用性的最理想结合。随着以太网从办公室里走了出来，现在它已得到显著的发展并且变得更加稳定。
　　反对在工业环境中使用以太网的主要理由如下所述：
　　·它是不确定的，因此在实时控制与可靠性操作要求非常高的场合中，以太网不是最好的选择。
　　·它可能经受不起所有的苛刻环境。因为通过严格的环境测试的以太网集线器和电缆几乎没有。
　　·一个单独的数据包的总开销很大——对实际数据的识别内容和路由选择的内容的比值比采用专门的工业网络协议要大得多。
　　·以太网在总线上不提供电源，因此必须要有额外的供电电缆。
　　然而，仔细地设计以太网网络，同时使用适当的设备，就可以取得可靠的操作。另外，以太网的通信速率一再提高，10Mbps和100Mbps以太网已经可以使用了，千兆位以太网正得到发展，而且万兆位以太网也正在加紧研制中。通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高了确定性。如6所述，若网络负荷不超过36%，以太网发生碰撞的可能性极小。
　　需要特别指出的是，交换技术的快速发展已经消除了以太网应用于控制系统的障碍。交换式以太网技术产生于1992年。这项技术使得多个网上设备之间同时进行通信时不会有冲突发生。其做法是把网络用交换器分割成互不相连的几个网段，每个设备独占一个网段，从而大大降低冲突的可能性。
8、以太网与Internet集成用于工业控制
　　以太网已经成为一种普遍存在的工具而用于企业组织。由于使用以太网作为传输媒介，Internet已经发展起来，而且正在改变着跨越许多工业部门做买卖的方式、方法。Internet已经成为在任何时候从任何地方轻易地获取信息的一种工具。
　　实际上，Internet在工厂层最终将起到非常重要的作用。Internet与自动化应用一起工作，使用带有web接口的软件，Internet就能够调节统计上的过程信息和其它过程信息。
　　为了管理部门或供应商的利益，Internet软件还能发布信息。顾客能找到自己的订货状态，而供应商能看到运转着的工厂操作。有关工艺规程、已加工的货物以及报表等级的业务信息将简化适时的交货。
　　这种实时的工厂管理已经成为竞争性优越条件中所必需的。适时生产不仅对于企业的发展是必要的，而且实际上对于企业的生存也是必要的。Internet将是实现上述目的的关键工具。
　　使用Internet的另一个应用是预防性维修。基于web 网的软件与主要机械装置集成，可以向机器制造商提供有用的信息。检修技术人员可以从任何地方请求联机，有助于检查并排除故障。这样会减少机器的停机时间并减少了相关的费用。
　　需要并正在进行改进的领域是基于web的控制。目前，由于缺乏关于以太网与Internet的确定结合方案，使得我们还难以担保这样的控制万无一失。
　　作为一个例子，现场总线基金会FF的高速以太网HSE就明确表示它是一种具有控制功能的Internet。HSE连接器将远端H1网段的信息传递到以太网主干线上。这些信息通过Internet传到主控室，在那里操作员可以通过网络浏览器就能监控生产过程。控制信息也可同样被管理系统所获取。
　　将Internet的力量与一种高效的以太网结构结合起来，HSE可以说是企业理想的把控制与管理联系起来的现场网络。
9、结束语
　　过去十几年中Internet的兴起和Windows、Unix操作系统逐渐处于主导地位，象TCP/IP及一些定义明确的传输协议得到广泛应用。电子商务的出现使企业生产管理营销的观念发生着巨大变化。能够走出办公室，在任何城市、任何地方利用电话线通过Internet对企业生产进行监视控制，无疑是现代企业提高生产率、增强竞争力的有效手段。为获取这样的手段，将以太网应用到工业控制领域无疑是最方便最有效的解决方案。
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