基于交换式工业以太网研究 - 文章

基于交换式工业以太网研究

作者：席亚宾马永光林永君

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摘要：本文通过对传统工业控制网络的深入分析，提出了一种新型的控制网络体系结构——结构化的交换式工业以太网。分析了该系统的特点，探讨了交换式以太控制网络应用于工业现场的关键技术。
关键词：控制网络；以太网；信息网络；分布式智能

引言

信息网络技术的迅猛发展正深刻地改变着人们的工作方式和生活方式，特别是对企业的信息化和自动化发展也产生着巨大的影响。企业的信息化，能够有效提高企业的生产、经营、管理质量与效率，从而提高企业的市场竞争能力与可持续发展能力。在企业信息化和自动化领域，计算机技术、控制技术、网络与信息技术的结合，孕育了控制网络技术的产生。企业信息化的发展，迫切需要一个开放的、统一的、有效的、并且具有较强可持续发展能力的网络通信平台来支撑。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等优点，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但足传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA／CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2－30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。本文将对此以及其它工业以太网巾的关键技术作了一定的研究。

1 传统工业控制网络结构

从总体结构上来讲，传统企业网络可分为三个层次：管理层、监控层和现场设备层。其结构示意图如下所示：

图一传统工业控制网络

管理层、控制层、设备层三层各层功能如下：

●管理层。主要是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制定综合管理决策。管理层一般使川通用以太网，方便操作，并可连入外部网络。

●监控层。从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功能一般由上位计算机完成，一方面，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；另一方面，通过专门的现场总线接口（转换器）实现现场总线网段与以太网段的连接。其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制利远程操作优化提供支撑环境。

●设备层。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，依照现场总线的协议标准，设备采用功能块的结构，通过组态设汁，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能；此外，通过智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。

2 控制网络与信息网络的区别与集成的必要性

控制刚络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多共同点，但又有不同之处和独特的地方。

由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性，所以，应用于测量与控制的数据通信不同于一般电信网络的通信，也不同于信息技术中一般计算机网络的通信。控制网络数据通信以引发物质或能盘的运动为最终目的。用于测量与控制的数据通信的主要特点是：允许对实时的事件进行驱动通信，具有很高的数据完整性，在电磁干扰和有地电位差的情况下能正常工作，多使用专用的通信网络等。

控制网络与信息网络的具体不同如下：

①控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0．01－0．5s，制造自动化系统的响应时间要求为O．5－2．0s，信息网络的响应时间要求为2．0～6．0s。在信息网络的大部分使用中实时性是可以忽略的。

②控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆场合，控制网络还应具有本质安全性能。

③在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式：在信息网络中某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信方式。

④控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容，即互操作性的问题。

目前，企业网络一般包含处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络一般处于企业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息，具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。

由此可见控制网络与信息网络的集成十分必要，将为企业计算机综合自动化CIPA（Computer Integrated Plant Automation）与信息化创造有利的条什。主要体现在下面几点：

（1）实现控制网络与信息网络的信息集成，建立综合实时信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据。
（2）建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可操作性。
（3）实现对控制网络工作的远程监控、优化调度及控制网络的远程诊断。
（4）实现控制网络的远程软件维护与更新。

3 交换式工业以太网

基于以太网的分布式控制系统的采用正是为了能够更好地实现控制网络与信息网络的集成，克服以前各种控制系统的不足。以太网与现场总线相比，其主要优势在于它能提供一个开放的基础构架，使企业从现场控制层到管理层实现全面的无缝信息集成；解决由于网络协议上的鸿沟导致“自动化孤岛”的问题。

针对工业控制系统的要求，结合商用网络成熟的设计方法，本文设计了一个结构化的交换式工业以太网，整个系统完全基于Ethernet－TCP／IP的一体化设计。其系统结构示意图如图二所示。

图二分布式以太网结构示意图

整个网络以以太网交换机为中心，包括数据库服务器、文件服务器。以太网交换机有1OMbps，25Mbps和1OOMbps等宽带端口，一般通过1OOMbps网络交换机端口连到服务器，以满足工业PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等频繁访问服务器时对网络宽带的要求。

监控单元完成对整个控制过程的监控，参数设定等功能，如果要求监控工作站具有多媒体功能，可接入25Mbps端口。

现场设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场总线控制网络、PLC、嵌入式控制系统等。一般的工业控制计算机系统通过以太网卡接入网络交换机或交换式集线器；现场总线控制网络通过数据网关与以太网互联；PLC的接入有两种情况，带有以太网卡的PLC可通过以太网卡接入交换机，普通不带以太网卡的PLC要通过485／232转换及工业控制计算机接入网络交换机；嵌入式控制系统可通过嵌入式控制器自带的以太网卡接入网络交换机。

当网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的网络，每一个交换机及控制设备构成相对独立的控制子网。若干个控制子网互联组成规模较大的控制网络。

该控制网络系统具有以下特点：

（1）分布式对等功能单元

控制系统按功能分为管理层、控制层两层。管理层与传统工业网络的管理层无重大区别。控制层合并了原有的监控层和设备层，取而代之的是根据功能和部门划分的若干“单元”，各单元之间关系对等，单元内部是相对独立的实时控制区域。控制功能下放到各现场控制单元的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性。

（2）分层式网络结构

整个网络采用结构化设计，分为核心层、分布层二层。

核心层：为数据交换巾心，分布层设备之间的通信，其数据都通过该层进行高速交换。核心交换设备为三层高速交换机；创建和维护网络路山表，实现不同功能单元或虚拟局域网子网之间的路由；实施访问控制机制。

分布层：采用二层交换机实现各功能单元内部的数据交换，交换机与现场设备或下游交换机采用点－点／全双工方式连接，使单元内部主要设备都能独享带宽，从而保证系统通信实时性。

与扁平式网络相比，分层式网络结构具有很大优势：（a）能有效分割网络，成为较小的广播域和冲突域，为终端设备提供更大的带宽。（b）分层式结构提高了网络的扩展性，当加入新的功能单元时，不会降低网络的性能。（c）有利于故障排除，并限制故障影响。（d）使各功能单元成为对等关系，组成分布式通信系统。

（3）更高的开放性

基于Ethernet-TCP／IP的工业以太网，管理层和控制层使用相同的通信协议。本质上，管理单元与现场控制单元及监控单元可自由通讯，使上下层之间实现“无缝”集成；如果必要，管理层的决策单元可以直接获得现场控制单元的数据，有利于提高综合自动化决策速度；与此同时，管理层与控制层之间建立必要的访问控制机制，保护现场控制单元和敏感部门的安全和通信的实时性。

由于采用得到广泛应用的开放标准（协议），各厂家的设备只要采用相同的协议，或通过智能转换器，就能方便地集成在同一个系统中，提高了互连性和互可操作性，从而消除了不同自动化系统之间的“信息孤岛”。

（4）高传输速率

一般来说，骨干链路采用100Mbps传输率，设备及终端接入链路使用10／100Mbps传输率；另外，分层式网络结构可将功能单元的通信数据尽量限制在本地，节约了骨干链路带宽，也减少了单元之间的广播，提高了终端的带宽。

4 交换式以太控制网络应用于工业现场的关键技术

◆确保通信实时性。长期以来，以太网通信响应的不确定性是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一，而导致不确定性的主要原因是以太网访问传输媒体的方法，这种方法容易产生“捕获效应”。交换式以太控制网络技术不但极大地提高了信道地利用率，更重要的是它能够屏蔽传统共享式以太网的时延不确定性，为它应用于工业控制清除了主要障碍。然而，当交换式以太控制网络规模扩大后，又出现了环路和广播风暴的问题。

◆环路和广播风暴的解决方案。工业控制系统的网络结构日趋复杂，很难保证其拓扑结构中不包含闭合环路。但可以采用动态生成树算法计算交换机的路由，从而避免环路对数据帧转发路由造成的影响，同时增加了交换式以太控制网络的健壮性和组网的方便性。

◆对网络安全性的支持。目前交换式以太控制网络已经把传统的3层网络系统（即信息管理层、过程监控层、现场设备层）合成一体，同时引入了一系列的网络安全问题。除了引进防火墙机制外，网络小身对安全提供两方面的支持：网络设备访问控制和数据访问控制。

◆总线供电。所谓总线供电或总线馈电，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。采用总线供电可以减少网络线缆，降低安装复杂性与费用，提高网络和系统的易维护性。特别是在恶劣与危险的场合，总线供电具有十分重要的意义。由于以太网以前主要用于商业计算机通信，一般的设备或工作站（如计算机）本身已具有电源供电，没有总线供电的要求，因此传输媒体只用于传输信息。

◆互操作性。互操作性是指连接到同一网络上的不同厂家的设备之间通过同一的应用层协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。作为开放系统特点之一，互操作性向用户保证了来自不同厂商的设备可以相互通信，并且可以在多厂商产品的集成环境中共同工作。这一方面提高了系统的质里，另一方面为用户提供了更大市场选择机会。互可操作性是决定某一通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户接受，并进行大面积应用的关键。

◆网络生存性。所谓网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。任何一个系统组件发生故障，不管它是否是硬件，都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序以致于整个系统的瘫痪，则说明该系统的网络生存能力很弱。因此，为了使网络正常运行时间最大化，需要以可靠的技术来保证在网络维护和改进时，系统不发生中断。

◆本质安全与安全防爆技术。在生产过程中，很多工业现场不可避免地存在易燃、易爆与有毒等场合。对应用于这些工业现场的智能装备以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全。

现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型（如增安、气密、浇封等）和本质安全型。与隔离型技术相比，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，可以带来以下技术和经济上的优点：结构简单，体积小，重量轻，造价低；可在带电情况下进行维护和更换；安全可靠性高；适用范围广。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。

以太网系统的本质安全包括工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的变送器和执行机构等现场设备。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60～70mA（5V工作电源），因此相对而言，基于以太网的低功耗现场设备和交换机的设计比较困难。

◆远距离传输。在工业现场，由于生产装置一般都比较复杂，各种测量和控制仪表的空间分布比较分散，彼此间的距离比较远，有时设备与设备之间的距离长达数公里。对于这种情况，如遵照传输的方法设计以太网，使用10Base-T双绞线就显得远远不够，而使用10Base-2或10Base-5同轴电缆则不能进行全双工通信，而且布线成本也比较高。同样，如果在现场都采用光纤传输介质，布线成本可能比较高，但随着互联网和以太网技术的大范围应用，光纤成本肯定会大大降低。

5 结束语

以太网和Internet技术的发展将完全改变传统企业的网络架构。毫无疑问，以太网在工业自动化网络方面扮演着一个非常重要的角色。根据对三大汽车制造商的最新研究结果，以太网至少可以适用于70％的现场网络，这意味着工业以太网有着非常广泛的前景。

控制技术已从集中控制系统发展到集散控制系统。目前正向第三代控制系统－分布式智能（Distributed Intelligence）迈进。由于交换式以太控制网络具有的高带宽和延迟确定性双重优点，为实现分布式智能提供了通信网络平台，引发了自动化体系结构的一场革命。这表明分布式智能是自动化必然的未来，而交换式以太控制网络技术功不可没。

参考文献
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文章内容仅供参考 (投稿) (11/11/2007)


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