工業(yè)以太網絡技術的應用與發(fā)展

　　摘要：針對信息孤島難于集成的問題，闡明了以太網絡進入工業(yè)控制領域的必然性及其優(yōu)勢；分析了工業(yè)以太網絡在控制領域應用中存在的問題及其改進措施；zui后結合工程實踐，討論了工業(yè)以太網絡的應用方式和發(fā)展前景。
　　
　　1、引言
　　
　　以太網技術由于具有成本低、通信速率和帶寬高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的基礎和強大的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ戎T多優(yōu)點，在過程控制領域的管理層已被廣泛應用。事實證明，通過一些實時通信增強措施及工業(yè)應用高可靠性網絡的設計和實施，以太網可以滿足工業(yè)數據通信的實時性及工業(yè)現場環(huán)境要求，并可直接向下延伸應用于工業(yè)現場設備間的通信。工業(yè)以太網一般是指在技術上與商業(yè)以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性等方面能夠滿足工業(yè)現場的需要，也就是滿足環(huán)境性、可靠性、安全性以及安裝方便等要求的以太網。以太網是按IEEE802.3標準的規(guī)定，采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問方法（CSMA／CD）對共享媒體進行訪問的一種局域網。其協議對應于ISO／OSI七層參考模型中的物理層和數據鏈路層，以太網的傳輸介質為同軸電纜、雙絞線、光纖等，采用總線型或星型拓撲結構，傳輸速率為10Mbps，100Mbps，1000Mbps或更高。在辦公和商業(yè)領域，以太網是zui常用的通信網絡，近幾年來，隨著以太網技術的快速發(fā)展，以太網技術已開始廣泛應用于工業(yè)控制領域，它是現代自動控制技術和信息網絡技術相結合的產物，是下一代自動化設備的標志性技術，是改造傳統(tǒng)工業(yè)的有力工具，同時也是信息化帶動工業(yè)化的重點方向。國內對工業(yè)以太網絡技術的需求日益增加，在石油、化工、冶金、電力、機械、交通、建材、樓宇管理、現代農業(yè)等領域和許多新規(guī)劃建設的項目中都需要工業(yè)以太網絡技術的支持。
　　
　　2、工業(yè)以太網的優(yōu)勢
　　
　　20世紀80年代中期產生的現場總線，將智能現場設備和自動化系統(tǒng)以全數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信控制網絡連接，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網絡化和智能化發(fā)展成為可能，使工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結構和功能結構產生重大變革。現場總線標準IEC—61158經過多年的爭論和斗爭后，放棄了其制定單一現場總線標準的初衷，zui終發(fā)布了包括8種（第三版修訂后增加了兩種類型，而成為10種類型）類型總線的標準。這說明各大總線各具特點、不可互相替代的局面得到世界工控界的認可。但另一方面，隨著互聯網技術的發(fā)展，廣大工控專家、制造商和用戶也逐漸認識到，現場總線之所以沒有能實現統(tǒng)一，除了它們的技術特色和背后支持的公司間的利益沖突外，還因為現場總線發(fā)展過程中，過多地強調了自動化網絡的特殊性，忽視了信息技術的發(fā)展成果，致使現場總線技術、產品和應用發(fā)展緩慢。與此同時，壟斷了辦公自動化領域信息網絡通信的以太網技術，由于其諸多優(yōu)點，無論是大型跨國企業(yè)還是中小型自動化企業(yè)，都在過程控制領域管理層和控制層等中上層得到廣泛應用。在工業(yè)控制領域中，隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，被控對象、測控裝置等物理設備地域分散性也越來越明顯，集中控制系統(tǒng)已經不能滿足發(fā)展的要求。由于現場總線技術標準IEC—61158出臺，實質上并沒有真正統(tǒng)一的技術標準，因此，世界各大工控廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問題，于是目前在信息網絡中廣泛應用的以太網成為首先選取的目標。
　　
　　以太網是當今zui流行、應用zui廣泛的通信技術，具有價格低、多種傳輸介質可選、高速度、易于組網應用等諸多優(yōu)點，而且其運行經驗zui為豐富，擁有大量安裝維護人員，是一種理想的工業(yè)通信網絡。首先，基于TCP／IP的以太網是一種開放式通信網絡，不同廠商的設備很容易互聯。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設備的兼容和互操作等問題；其次，低成本、易于組網是以太網的優(yōu)勢。以太網網卡價格低廉，以太網與計算機、服務器等接口十分方便。以太網技術人員多，可以降低企業(yè)培訓維護成本；第三，以太網具有相當高的數據傳輸速率可以提供足夠的帶寬。而且以太網資源共享能力強，利用以太網作為現場的總線，很容易將I／O數據連接到信息系統(tǒng)中，數據很容易以實時方式與信息系統(tǒng)上的資源、應用軟件和數據庫共享；第四，以太網易與Internet連接。在任何城市、任何地方甚至都可以利用線通過Internet對企業(yè)生產進行監(jiān)視控制；另外，以太網作為目前應用zui廣泛的計算機網絡技術，受到了廣泛的。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發(fā)，有多種開發(fā)工具可供選擇。
　　
　　隨著經濟的發(fā)展和自動化辦公信息網絡的進步，企業(yè)綜合自動化、管控一體化已成為企業(yè)生存和發(fā)展的必尤之路。以太網可方便實現辦公自動化網絡與工業(yè)控制網絡的無縫連接的優(yōu)勢，可以使電子商務與工業(yè)生產控制現場緊密結合，實現真正意義上的企業(yè)管控一體化。
　　
　　3、以太網應用于工業(yè)現場存在的主要問題
　　
　　3.1 信息傳輸存在實時性差和不確定性
　　
　　工業(yè)控制網絡要求具有比較高的實時性和確定性。而以太網采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA／CD）以及二進制指數退避算法（BEB），因此必導致信息傳送的滯后，因其時間滯后是隨機的，這說明實質上以太網是一種非確定性的網絡系統(tǒng)。因此，對于響應時間要求嚴格的控制過程會存在產生碰撞的可能性，造成響應時間的不確定性，使信息不能按要求正常傳遞，無法滿足工業(yè)控制網絡所要求的數據傳輸的實時性和確定性。
　　
　　3.2 以太網的可靠性差
　　
　　安裝在工業(yè)現場的設備應該具有高可靠性，即能夠抗沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及具有比較好的電磁兼容性。而傳統(tǒng)的以太網主要應用于辦公自動化領域，其所用插接件、集線器、交換機和電纜等都是為辦公室應用而設計的，抗*力差，難以滿足工業(yè)現場的惡劣環(huán)境要求。
　　
　　3.3 缺乏應用于工業(yè)控制領域的應用層協議
　　
　　以太網標準僅僅定義了ISO／OSI參考模型的物理層和數據鏈路層，即使再加上TCP／IP協議也只是提供了網絡層和傳輸層的功能。兩個設備要想正常通信必須使用相同的語言規(guī)則，也就是說還必須有統(tǒng)一的應用層協議。目前，商用計算機通信領域采用的應用層協議主要是FTP（文件傳輸協議），net（遠程登陸協議），SMTP（簡單郵件傳輸協議），HTTP（超文本傳輸協議）等。這些協議所規(guī)定的數據結構等特性不符合工業(yè)控制現場設備之間的實時通信要求。因此，必須制定統(tǒng)一的適用于控制領域的應用層協議。