以太网在工业控制中的应用综述

    1、引言

    在工业生产中，随着生产规模的扩大和复杂程度的提高，实际应用对控制系统的要求越来越高。在20世纪50～60年代，以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表组成的监控系统取代传统的机电控制系统。随后是在70～80年代，集散控制系统DCS（Distributed Control System）的出现，把大量分散的单回路测控系统通过计算机进行集中统一管理，用各种I/O功能模块代替控制室仪表，利用计算机实现回路调节、工况联锁、参数显示、数据存储等多种功能，从而实现了工业控制技术的飞跃。
   
    DCS一般由操作站级、过程控制级和现场仪表三级组成，其特点是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到较低的程度，且各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。但DCS的结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”。而且DCS是一种数字—模拟混合系统，现场仪表仍然使用传统的4～20mA模拟信号，工程与管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。
   
    进入90年代，具有数字化的通信方式、全分散的系统结构、开放的互联网络、多种传输媒介和拓扑结构、高度的环境适应性等特点的现场总线（Fieldbus）技术迅速崛起并趋向成熟，控制功能全面转入现场智能仪表，而在此基础上形成的新的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为设备层、控制层和信息层。采用了现场总线技术使控制功能下放到现场设备成为可能，现场总线标准不仅是通信标准，同时也是系统标准。FCS正在走向取代DCS并推动着工业控制技术的又一次飞跃。
   
    2、现场总线应用中的问题

    2.1 标准问题

    现场总线控制系统在实际应用中还存在一些问题有待解决，其中最突出的问题就是缺少统一的标准。2000年初IEC公布的IEC61158国际标准，产生了H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等８种IEC现场总线国际标准子集。IEC现场总线国际标准制定的结局表明，在相当长的一段时期内，将出现多种现场总线并存的局面，并导致控制网段的系统集成与信息集成面临困难。无论是最终用户还是工程集成商也包括制造商，都在寻求高性能、低成本的解决方案。8种类型的现场总线采用不同的通信协议，要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的。每种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，对用户来说，仍然是比较棘手的问题。
   
    2.2 系统的集成问题

    在实际应用中，一个大的系统很可能采用多种的现场总线，特别是中国那些高速成长的终端用户，在企业的不同发展阶段和国际范围的跨国制造装备采购几乎不可能统一技术前沿的现场总线。如何把企业的工业控制网络与管理层的数据网络进行无缝地集成，从而使整个企业实现管控一体化，显得十分关键。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑各现场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强，因此许多仪表会有同样的功能块，组态时要仔细考虑功能块的选择，使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要，要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。
   
    2.3 存在技术瓶颈

    现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题，主要表现在以下几个方面。

    （1） 当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪。用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证。

    （2） 本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省电缆优点的发挥。

    （3） 系统组态参数过分复杂。现场总线的组态参数很多，不容易掌握，但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。

    因此，采用一种统一的现场总线标准对于现场总线技术的发展具有特别重要的意义。为了加快新一代控制系统的发展与应用，各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，业内人士把目光转移到了在商用局域网中大获成功的具有结构简单、成本低廉、易于安装、传输速度高、功耗低、软硬件资源丰富、兼容性好、灵活性高、易于与Internet集成、支持几乎所有流行的网络协议的以太网技术。
   
    3、以太网与TCP/IP

    以太网（Ethernet）最早来源于Xerox公司于1973年建造的网络系统，是一种总线式局域网，以基带同轴电缆作为传输介质，采用CSMA/CD协议。Xerox公司建造的以太网非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司联合起草了以太网标准。1985年，IEEE802委员会吸收以太网为IEEE802.3标准，并对其进行了修改。以太网标准和IEEE802.3标准的主要区别是以太网标准只描述了使用50欧同轴电缆、数据传输率为10Mbps的总线局域网，而且以太网标准包括ISO数据链路层和物理层的全部内容；而IEEE802.3标准描述了运行在各种介质上的、数据传输率从1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD协议的局域网，而且IEEE802.3标准只定义了ISO参考模型中的数据链路层的一个子层（即介质访问控制MAC子层）和物理层，而数据链路层的逻辑链路控制LLC子层由IEEE802.2描述。该规范规定采用载波侦听多路访问/冲突（碰撞）检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect），信号以10Mbps速率在同轴电缆上传输。
   
    按照ISO的OSI七层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统。以太网在成为数据链路和物理层的协议之后，就与TCP/IP紧密地捆绑在一起了。由于后来国际互连网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本连接HTTP等TCP/IP协议组放在一起，称为以太网技术； TCP/IP的简单实用已为广大用户所接受，不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络、监控层网络也都广泛使用以太网技术，并开始向现场设备层网络延伸。如今，TCP/IP协议成为最流行的网际互联协议，并由单纯的TCP/IP协议发展成为一系列以IP为基础的TCP/IP协议簇。
   
    在TCP协议中，网络层的核心协议是IP（Internet Protocol），同时还提供ARP（Address Resolution Protocol）、RARP（Reverse Address Resolution Protocol）、ICMP（Internet Control Messages Protocol）等协议。该层的主要功能包括处理来自传输层的分组发送请求（即组装IP数据报并发往网络接口）、处理输入数据报、转发数据报或从数据报中抽取分组、处理差错与控制报文（包括处理路由、流量控制、拥塞控制等）。
   
    传输层的功能是提供应用程序间（端到端）的通信服务，它提供用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）和传输控制协议TCP（Transfer Control Protocol）两个协议。UDP负责提供高效率的服务，用于传送少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用UDP的应用程序需自己完成可靠性操作；TCP负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于传送大量报文，并保证数据传输的可靠性。
   
    以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最大优点是简单，经济实用，易为人们所掌握，所以深受广大用户欢迎。与现场总线相比，以太网具有以下几个方面的优点:
   
    （1） 兼容性好，有广泛的技术支持

    基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，不同厂商的设备很容易互联，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如VB、Java、VC等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展。
   
    （2） 易于与Internet连接

    以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过Internet对企业进行监控，能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库。
   
    （3） 成本低廉

    采用以太网能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的广泛支持，具有丰富的软硬件资源，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，在技术升级方面无需单独的研究投入，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
   
    （4）可持续发展潜力大

    由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术的持续发展。
   
    （5） 通信速率高

    目前以太网的通信速率为10M或100M，1000M、10G的快速以太网也开始应用，以太网技术也逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快得多，以太网可以满足对带宽的更高要求。
   
    4、以太网应用于控制时存在的问题

    但是传统的以太网是一种商用网络，要应用到工业控制中还存在一些问题，主要有以下几个方面。
   
    （1） 存在实时性差，不确定性的问题

    传统的以太网采用了CSMA/CD的介质访问控制机制，各个节点采用BEB（Binary Exponential Back-off）算法处理冲突，具有排队延迟不确定的缺陷，每个网络节点要通过竞争来取得信息包的发送权。通信时节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息；如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发，因此无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性，不能满足工业过程控制在实时性上的要求，甚至在通信繁忙时，还存在信息丢失的危险，从而限制了它在工业控制中的应用。
   
    （2） 工业可靠性问题

    以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要，如超高或超低的工作温度，大电机或其他大功率设备产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。以太网如在车间底层应用，必须要解决可靠性的问题。

    （3） 以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆

    工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作供给电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。
   
    （4） 以太网不是本质安全系统
   
    （5） 安全性问题

    以太网由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安全漏洞。对此，一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理，但针对工业自动化控制网络安全问题的解决方案还需要认真研究。
   
    （6） 现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题

    上述这些问题中，实时性、确定性及可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。为了解决这一问题，人们提出了工业以太网的解决办法。
   
    5、工业以太网

    一般来讲，工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。工业以太网在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，工业以太网和标准以太网的异同可以比之与工业控制计算机和商用计算机的异同。以太网要满足工业现场的需要，需达到以下几个方面的要求。

    （1） 适应性

    包括机械特性（耐振动、耐冲击）、环境特性（工作温度要求为-40～+85℃，并耐腐蚀、防尘、防水）、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN50082-2标准。

    （2） 可靠性

    由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品的可靠性也提出了更高的要求。

    （3） 本质安全与安全防爆技术

    对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的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措施来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括隔爆型（如增安、气密、浇封等）和本质安全型两类。与隔爆型技术相比，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。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在六七十mA（5Ｖ工作电源），因此低功耗的现场设备（如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）设计难以实现。因此，在目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行。另一方面，对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。

    （4） 安装方便，适应工业环境的安装要求，如采用DIN导轨安装。
   
    6、提高以太网实用性的方法

    随着相关技术的发展，以太网的发展也取得了本质的飞跃，再借助于相关技术，可以从总体上提高以太网应用于工业控制中的实用性。
   
    6.1 采用交换技术

    传统以太网采用共享式集线器，其结构和功能仅仅是一种多端口物理层中继器，连接到共享式集线器上的所有站点共享一个带宽，遵循CSMA/CD协议进行发送和接收数据。而交换式集线器可以认为是一个受控的多端口开关矩阵，各个端口之间的信息流是隔离的，在源端和交换设备的目标端之间提供了一个直接快速的点到点连接。不同端口可以形成多个数据通道，端口之间的数据输入和输出不再受CSMA/CD的约束。随着现代交换机技术的发展，交换机端口内部之间的传输速率比整个设备层以太网端口间的传输速率之和还要大，因而减少以太网的冲突率，并为冲突数据提供缓存。当然交换机的工作方式必须是存储转发方式，这样在系统中只有点对点的连接，不会出现碰撞。多个交换把整个以太网分解成许多独立的区域，以太网的数据冲突只在各自的冲突域里存在，不同域之间没有冲突，可以大大提高网络上每个站点的带宽，从而提高了交换式以太网的网络性能和确定性。
   
    交换式以太网没有更改原有的以太网协议，可直接使用普通的以太网卡，大大降低了组网的成本，并从根本上解决了以太网通信传输延迟存在不确定性的问题。研究表明，通信负荷在10％以下时，以太网因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。在工业控制网络中，传输的信息多为周期性测量和控制数据，报文小，信息量少，传输的信息长度较小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小，通常仅为几位到几十个字节，对网络传输的吞吐量要求不高。研究表明，在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中，通信负荷为10M以太网的5%左右，即使有操作员信息传输（如设定值的改变，用户应用程序的下载等），10M以太网的负荷也完全可以保持在10%以下。
   
    6.2 采用高速以太网

    随着网络技术的迅速发展，先后产生了高速以太网（100M）和千兆以太网产品和国际标准，10G以太网产品也已经面世。通过提高通信速度，结合交换技术，可以大大提高通信网络的整体性能。
   
    6.3 采用全双工通信模式

    交换式以太网中一个端口是一个冲突域，在半双工情况下仍不能同时发送和接收数据。如果采用全双工模式，同一条数据链路中两个站点可以在发送数据的同时接收数据，解决了这种情况下半双工存在的需要等待的问题，理论上可以使传输速率提高一倍。全双工通信技术可以使设备端口间两对双绞线（或两根光纤）上同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA/CD的约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。对于紧急事务信息，则可以根据IEEE802.3p&q，应用报文优先级技术，使优先级高的报文先进入排队系统先接受服务。通过这种优先级排序，使工业现场中的紧急事务信息能够及时成功地传送到中央控制系统，以便得到及时处理。
   
    6.4 采用虚拟局域网技术

    虚拟局域网（VLAN）的出现打破了传统网络的许多固有观念，使网络结构更灵活、方便。实际上，VLAN就是一个广播域，不受地理位置的限制，可以根据部门职能、对象组和应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机的每一个端口只能标记一个VLAN，同一个VLAN中的所有站点拥有一个广播域，不同VLAN之间广播信息是相互隔离的，这样就避免了广播风暴的产生。工业过程控制中控制层单元在数据传输实时性和安全性方面都要与普通单元区分开来，使用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上做逻辑分割，将不同的功能层、不同的部门区分开，从而达到提高网络的整体安全性和简化网络管理的目的。通常虚拟局域网的划分方式有静态端口分配、动态虚拟网和多虚拟网端口配置三种。静态端口分配指的是网络管理人员利用网管软件或设备交换机的端口，使其直接从属某个虚拟网，这些端口将保持这样的从属性，除非网管人员重新设置；动态虚拟网指的是支持动态虚拟网的端口可以借助智能管理软件自动确定它们的从属；多虚拟网端口配置支持一个用户或一个端口同时访问多个虚拟网，这样可以将一台控制层计算机配置成多个部门可以同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源。
   
    6.5 引入质量服务（QoS）

    IP QoS是指IP的服务质量（quality of service），亦即IP数据流通过网络时的性能，它的目的是向用户提供端到端的服务质量保证。QoS有一套度量指标，包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。QoS网络可以区分实时-非实时数据，在工业以太网中采用QoS技术，可以识别来自控制层的拥有较高优先级的数据，并对它们优先处理，在响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级等方面，使工业以太网满足工业自动化实时控制要求。另外，QoS网络还可以制止对网络的非法使用，譬如非法访问控制层现场控制单元和监控单元的终端等。
   
    此外，还出现了受大公司支持的工业以太网应用标准及相关协议的改进。将工业以太网引入底层网络，不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面上方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本，以太网向底层网络的延伸是必然的，因此著名厂商纷纷支持工业以太网并制订了不同的工业应用标准。如 Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工业协议，它提供Producer/Consumer模型，将ControlNet和Devicenet的控制和信息协议的应用层移植到TCP。FF制定的高速以太网协议HSE提供了发布方/定购方、对象等模型，主要用于工程控制领域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。 由Schneider公司发布的Modbus/TCP协议将Modbus协议捆绑在TCP协议上，易于实施，能够实现互联。
   
    为了提高实时性，以太网协议也作了一些改进。一种完全基于软件的协议RETHER（Real Time Ethernet）可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性，它采用一种混合操作模式，能减少对网络中非实时数据传输性能的影响；非竞争的容许控制机制和有效的令牌传递方案能防止由于节点故障而引起的令牌丢失。遵守RETHER协议的网络以CSMA和RETHER两种模式运行。在实时对话期间，网络将透明地转换到RETHER模式，实时对话结束后又重新回到CSMA模式。还有一种以太网协议叫RTCC（Real Time Communication Control），为分布式实时应用提供了良好的基础。RTCC是加在Ethernet之上的一层协议，能提供高速、可靠、实时的通信。它不需要改变现有的硬件设备，采用命令/响应多路传输和总线表两种新颖的机制来分配信道。所有节点在RTCC协议中被分为总线控制器（BC）和远程终端（RT）两类，BC只有一个，其余都是RT。信息发送的发起和管理都由BC承担，访问仲裁过程和传输控制过程都是由BC来实现的，通过两个过程的集成与同步，不仅节点的发送时间是确定的，而且节点使用总线的时间也可控。在10Mbps以太网上的实验表明，RTCC有令人满意的确定性。第三种改进实时性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP与Ethernet MAC之间加一个流量平衡器。作为它们之间的接口，它被安装在每一个网络节点上。在本地节点，它给予实时数据包以优先权来消除实时信息与非实时信息的竞争，同时平衡非实时信息，以减少与其他节点实时信息之间的冲突。为了保证非实时信息的吞吐量，流量平衡器还能根据网络的负载情况调整数据流产生率。这种方法不需要对现有的标准Ethernet MAC协议和TCP或UDP/IP作任何改动。
   
    因此，针对以太网排队延迟的不确定性，通过采用适当的流量控制、交换技术、全双工通信技术、信息优先级等来提高实时性，并改进了容错技术、系统设计技术以及冗余结构，以太网完全能用于工业控制网络。事实上，20世纪90年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网，推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器，以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。
   
    随着网络和信息技术的日趋成熟，在工业通信和自动化系统中采用以太网和TCP/IP协议作为最主要的通信接口和手段，向网络化、标准化、开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最广泛、成长最快的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了超乎寻常的发展。同时，基于IP的全程一体化寻址，为工业生产提供的标准、共享、高速的信息化通道解决方案，也必将对控制系统产生深远的影响。