以太網在工業控制中的應用綜述

1、引言

在工業生產中，隨著生產規模的擴大和復雜程度的提高，實際應用對控制系統的要求越來越高。在20世紀50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監控系統取代傳統的機電控制系統。隨后是在70～80年代，集散控制系統DCS(Distributed Control System)的出現，把大量分散的單回路測控系統通過計算機進行集中統一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計算機實現回路調節、工況聯鎖、參數顯示、數據存儲等多種功能，從而實現了工業控制技術的飛躍。

DCS一般由操作站級、過程控制級和現場儀表三級組成，其特點是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監督管理。分散控制使得系統由于某個局部的不可靠而造成對整個系統的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術不斷走向成熟，極大地提高了整個系統的可靠性，因而迅速成為工業自動控制系統的主流。但DCS的結構是多級主從關系，底層相互間進行信息傳遞必須經過主機，從而造成主機負荷過重，效率低下，并且主機一旦發生故障，整個系統就會“癱瘓”。而且DCS是一種數字—模擬混合系統，現場儀表仍然使用傳統的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標準，通訊協議封閉，極大的制約了系統的集成與應用。

進入90年代，具有數字化的通信方式、全分散的系統結構、開放的互聯網絡、多種傳輸媒介和拓撲結構、高度的環境適應性等特點的現場總線(Fieldbus)技術迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉入現場智能儀表，而在此基礎上形成的新的現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統。相應的控制網絡結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為設備層、控制層和信息層。采用了現場總線技術使控制功能下放到現場設備成為可能，現場總線標準不僅是通信標準，同時也是系統標準。FCS正在走向取代DCS并推動著工業控制技術的又一次飛躍。

2、現場總線應用中的問題

2.1 標準問題

現場總線控制系統在實際應用中還存在一些問題有待解決，其中最突出的問題就是缺少統一的標準。2000年初IEC公布的IEC61158國際標準，產生了H1(FF)、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE(FF)、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等8種IEC現場總線國際標準子集。IEC現場總線國際標準制定的結局表明，在相當長的一段時期內，將出現多種現場總線并存的局面，并導致控制網段的系統集成與信息集成面臨困難。無論是最終用戶還是工程集成商也包括制造商，都在尋求高性能、低成本的解決方案。8種類型的現場總線采用不同的通信協議，要實現這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現場總線都有自己最合適的應用領域，如何在實際中根據應用對象，將不同層次的現場總線組合使用，使系統的各部分都選擇最合適的現場總線，對用戶來說，仍然是比較棘手的問題。

2.2 系統的集成問題

在實際應用中，一個大的系統很可能采用多種的現場總線，特別是中國那些高速成長的終端用戶，在企業的不同發展階段和國際范圍的跨國制造裝備采購幾乎不可能統一技術前沿的現場總線。如何把企業的工業控制網絡與管理層的數據網絡進行無縫地集成，從而使整個企業實現管控一體化，顯得十分關鍵。現場總線系統在設計網絡布局時，不僅要考慮各現場節點的距離，還要考慮現場節點之間的功能關系、信息在網絡上的流動情況等。由于智能化現場儀表的功能很強，因此許多儀表會有同樣的功能塊，組態時要仔細考慮功能塊的選擇，使網絡上的信息流動最小化。同時通信參數的組態也很重要，要在系統的實時性與網絡效率之間做好平衡。

2.3 存在技術瓶頸

現場總線在應用中還存在一些技術瓶頸問題，主要表現在以下幾個方面。

(1) 當總線電纜斷開時，整個系統有可能癱瘓。用戶希望這時系統的效能可以降低，但不能崩潰，這一點目前許多現場總線不能保證。

(2) 本安防爆理論的制約。現有的防爆規定限制總線的長度和總線上負載的數量。這就是限制了現場總線節省電纜優點的發揮。

(3) 系統組態參數過分復雜。現場總線的組態參數很多，不容易掌握，但組態參數設定得好壞，對系統性能影響很大。

因此，采用一種統一的現場總線標準對于現場總線技術的發展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統的發展與應用，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問題，業內人士把目光轉移到了在商用局域網中大獲成功的具有結構簡單、成本低廉、易于安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬件資源豐富、兼容性好、靈活性高、易于與Internet集成、支持幾乎所有流行的網絡協議的以太網技術。

3、以太網與TCP/IP

以太網(Ethernet)最早來源于Xerox公司于1973年建造的網絡系統，是一種總線式局域網，以基帶同軸電纜作為傳輸介質，采用CSMA/CD協議。Xerox公司建造的以太網非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯合起草了以太網標準。1985年，IEEE802委員會吸收以太網為IEEE802.3標準，并對其進行了修改。以太網標準和IEEE802.3標準的主要區別是以太網標準只描述了使用50歐同軸電纜、數據傳輸率為10Mbps的總線局域網，而且以太網標準包括ISO數據鏈路層和物理層的全部內容;而IEEE802.3標準描述了運行在各種介質上的、數據傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協議的局域網，而且IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的數據鏈路層的一個子層(即介質訪問控制MAC子層)和物理層，而數據鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。該規范規定采用載波偵聽多路訪問/沖突(碰撞)檢測CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，信號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。

按照ISO的OSI七層結構，以太網標準只定義了數據鏈路層和物理層，作為一個完整的通信系統。以太網在成為數據鏈路和物理層的協議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來國際互連網采用了以太網和TCP/IP協議，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協議組放在一起，稱為以太網技術; TCP/IP的簡單實用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動化領域內，而且在各個企業的管理網絡、監控層網絡也都廣泛使用以太網技術，并開始向現場設備層網絡延伸。如今，TCP/IP協議成為最流行的網際互聯協議，并由單純的TCP/IP協議發展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協議簇。