分析工控自动化以太网的技术特性

前言

传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础。随着IT技术的飞速发展和工业自动化要求的不断提高，工业控制网络所担负的工作越来越重。与数据信息网络不同，工业控制领域需要一种高速廉价、实时性和开放性好、稳定性和准确性高的网络。以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势。近些年来，随着网络技术的发展和工业控制领域对网络性能要求越来越高，以太网正逐步进入工业控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。工业以太网的开放性使得工业控制网络和企业信息网络的无缝整合方面具有无可比拟的优势。

1、工业控制网络的发展

工业控制网络的发展是伴随着控制系统的变革而发展起来的。控制系统经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和近几年流行起来的工业以太网控制系统等六个阶段。对于基地式气动仪表控制系统和电动单元组合式模拟仪表控制系统只是驱动方式的改变，两类控制系统只能对单一回路进行控制，而各个回路之间不能够交换信息，每一个回路是一个独立的信息孤岛，并不属于网络的范畴。

随着计算机技术的发展，计算机被引入控制系统，它不仅能够完成对数据的处理操作，更主要的是可以直接根据输入的给定值、过程变量和过程中其他的测定值，通过PID或其它高级控制算法，得出它的操作变量即输出值送给执行机构完成控制功能。这就是我们所说的计算机集中控制系统（Ccs）的控制思想。集中控制系统由于其结构简单，直接面向控制对象，尚未形成网络体系。尽管将计算机引人控制系统使得一些高级控制算法得以实现，然而，随着生产过程的复杂化，软件方面需要很大的开销，并且复杂的软件结构使系统的升级能力较弱；计算机工作是需要集中控制几十个，甚至上百个回路，这就使得系统的实时性、可靠性得不到保证。

真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统：分散型控制系统DCS（也称集散控制系统）。它是随着网络技术的发展而发展起来的，DCS的特点是”集中管理，分散控制”，这些系统完整地体现了分散化和分层化的思想。目前所使用的DCS有环形、总线形和分级式几种。其中分级式应用最为普遍，如图1所示。

图1 集散控制系统和现场总线控制系统

然而，集散控制系统也有其明显的缺点：

首先，结构是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；

其次，它还使用大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的4—20mA电流模拟信号，传输可靠性差，不易于数字化处理；

第三，各系统设计厂家的DCS制定独立的标准，通讯协议不开放，极大的制约了系统的集成与应用，不利于现代跨国公司的进一步发展。

为了克服DES 系统的技术瓶颈，进一步满足工业现场的需要，现场总线技术应运而生，它将系统的控制功能进一步下放，现场总线网络实际上是一种全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络。它专门用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联，是现场通信网络和控制系统的集成，现场总线的出现对实现面向设备自动化系统起到了巨大的推动作用。

但是FE也有许多瓶颈问题：

首先，现有的现场总线标准种类过多，且各有自己的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；

其次，控制系统中如果有多种现场总线同时存在，由于总线通信协议的多样性。这样会造成工业控制系统与数据信息网络实现无缝集成，真正实现企业级管控一体化，系统功能组态等变得相对复杂；

另外在本质安全、系统可靠性、数据传输速度等方面存在一些技术瓶颈或不符合现代企业对信息的要求。事实上，各种控制系统存在缺点的问题最根本原因在于控制系统的开放性差或者开放性是有条件的，不彻底的。为了解决该问题而出现了以TCP／I协议为基础的工业以太网技术。

下面对工业以太网技术进行详细介绍。

2、工业以太网技术的特点

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，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。近些年来，随着网络技术的发展。以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。

2.1 工业以太网的技术优势

（1）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联；

（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，如图2所示；

（3）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择；

（4）通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以太网的通信速率为10M、100M 的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。

（5）可持续发展潜力大，在这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，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

图2 传统工业控制网络和工业以太网控制网络

2.2 工业以太网存在的一些问题

2.2.1 实时性问题

在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后。系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十毫秒内完成的。而同样由于以太网采用CSMA／CD介质访问控制方式，其本质上是非实时的，一条总线上挂多个接点平等竞争总线，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一旦出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备。人身安全事故。这种方式很难满足工业控制领域对实时性的要求；这也是以太网技术进入工控领域的技术瓶颈o3.2.2 适应性与可靠性：

以太网在设计之初是按办公环境设计的。并不是从工业网出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。而在实际工业生产环境中网络必须具备较好的可靠性、可恢复性、以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统。甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

2.2.3 工业自动化控制的应用层协议

目前信息网络中定义的应用层协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。因此，还需定义统一的应用层规范。

2.2.4 本质安全和网络安全

工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本质安全问题。另外，工业以太网由于使用了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。

2.3 以太网工业应用的解决机制

随着网络技术的不断发展，以上出现的问题已经完全或部分得到解决。

2.3.1 交换式以太网技术

为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，采用全双工通信，可以完全避免ESMA／CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好的实时性能，它完全避免了CSMA／CD、主从、令牌等可能的低效率。

2.3.2 高速抗扰以太网

我们知道当网络中的负载越大的时候，发生冲突的概率也就越大。有资料显示当一个网络的负荷低于36％时，基本上不会发生冲突。在负荷为1O％以下时，10M 以太网冲突机率为每五年一次。

100M 以太网冲突机率为每15年一次。但超过36％后随着负荷的增加发生冲突的概率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已经出现通信速率达100M／s。1G／s的高速以太网。再加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，和工业环境网络设备生产厂商采取了专门的抗干扰措施，使其更加符合工业需求，完全可以采用以太网作为工业网络。

2.3.3 应用层协议方面

用户可以根据需要对TCP／IP协议栈进行增减，另外还需要制定更加符合工业要求的网络协议。

2.3.4 本质安全和网络安全

设备生产商提供适应工业环境的器件，使用密封性好，坚固、抗震动的以太网设备与连接件用来解决本质安全问题；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。

结论

综上所述。工业以太网控制系统与其它控制系统相比较具有很大的优势，可以应用在多种工业控制领域。随着集成电路、工业以太网和嵌人式Internet技术研究的进一步深入，基于以太网的工业控制网络时代将会很快到来，并成为最具开放性的工业控制网络体系结构。这种新型的网络体系，与现场总线在以太网方面的发展相呼应，对传统的工业控制网络是一个变革，必将为工业控制领域带来新的天地。但是，在某些领域例如：汽车控制系统、数控机床等，由于其工作条件恶劣、实时性、可靠性要求高，均不适合工业以太网。从目前趋势来看，工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来，它还难以完全取代现场总线，作为实时控制通信的单一标准，在很长的一段时期内已有的现场总线仍将继续存在，最有可能的情况是发展一种多种网络并存的混合式控制系统。