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工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展(一)

時(shí)間:2008-01-28 09:14:00來(lái)源:shixi

導(dǎo)語(yǔ):?針對(duì)信息孤島難于集成的問(wèn)題,闡明了以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的必然性及其優(yōu)勢(shì);分析了工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)在控制領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施;討論了工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方式和發(fā)展前景。
摘 要:針對(duì)信息孤島難于集成的問(wèn)題,闡明了以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的必然性及其優(yōu)勢(shì);分析了工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)在控制領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施;最后結(jié)合工程實(shí)踐,討論了工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方式和發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞:工業(yè)以太網(wǎng) 確定性 系統(tǒng)集成 1 引言 以太網(wǎng)技術(shù)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、廣泛的技術(shù)支持基礎(chǔ)和強(qiáng)大的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ戎T多優(yōu)點(diǎn),在過(guò)程控制領(lǐng)域的管理層已被廣泛應(yīng)用。事實(shí)證明,通過(guò)一些實(shí)時(shí)通信增強(qiáng)措施及工業(yè)應(yīng)用高可靠性網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)施,以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求,并可直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信。工業(yè)以太網(wǎng)一般是指在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性等方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(wǎng)。以太網(wǎng)是按IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)方法(CSMA/CD)對(duì)共享媒體進(jìn)行訪問(wèn)的一種局域網(wǎng)。其協(xié)議對(duì)應(yīng)于ISO/OSI七層參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)為同軸電纜、雙絞線、光纖等,采用總線型或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),傳輸速率為10Mbps,100Mbps,1000Mbps或更高。在辦公和商業(yè)領(lǐng)域,以太網(wǎng)是最常用的通信網(wǎng)絡(luò),近幾年來(lái),隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,以太網(wǎng)技術(shù)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域,它是現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是下一代自動(dòng)化設(shè)備的標(biāo)志性技術(shù),是改造傳統(tǒng)工業(yè)的有力工具,同時(shí)也是信息化帶動(dòng)工業(yè)化的重點(diǎn)方向。國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求日益增加,在石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、交通、建材、樓宇管理、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域和許多新規(guī)劃建設(shè)的項(xiàng)目中都需要工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。 2 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì) 20世紀(jì)80年代中期產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)總線,將智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)連接,使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革?,F(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC—61158經(jīng)過(guò)多年的爭(zhēng)論和斗爭(zhēng)后,放棄了其制定單一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的初衷,最終發(fā)布了包括8種(第三版修訂后增加了兩種類(lèi)型,而成為10種類(lèi)型)類(lèi)型總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明各大總線各具特點(diǎn)、不可互相替代的局面得到世界工控界的認(rèn)可。但另一方面,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,廣大工控專(zhuān)家、制造商和用戶也逐漸認(rèn)識(shí)到,現(xiàn)場(chǎng)總線之所以沒(méi)有能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一,除了它們的技術(shù)特色和背后支持的公司間的利益沖突外,還因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展過(guò)程中,過(guò)多地強(qiáng)調(diào)了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的特殊性,忽視了信息技術(shù)的發(fā)展成果,致使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用發(fā)展緩慢。與此同時(shí),壟斷了辦公自動(dòng)化領(lǐng)域信息網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)技術(shù),由于其諸多優(yōu)點(diǎn),無(wú)論是大型跨國(guó)企業(yè)還是中小型自動(dòng)化企業(yè),都在過(guò)程控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上層得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)控制領(lǐng)域中,隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大,被控對(duì)象、測(cè)控裝置等物理設(shè)備地域分散性也越來(lái)越明顯,集中控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足發(fā)展的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC—61158出臺(tái),實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有真正統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),因此,世界各大工控廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴(kuò)展性和兼容性的問(wèn)題,于是目前在信息網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)成為首先選取的目標(biāo)。 以太網(wǎng)是當(dāng)今最流行、應(yīng)用最廣泛的通信技術(shù),具有價(jià)格低、多種傳輸介質(zhì)可選、高速度、易于組網(wǎng)應(yīng)用等諸多優(yōu)點(diǎn),而且其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)最為豐富,擁有大量安裝維護(hù)人員,是一種理想的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。首先,基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò),不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作等問(wèn)題;其次,低成本、易于組網(wǎng)是以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。以太網(wǎng)網(wǎng)卡價(jià)格低廉,以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等接口十分方便。以太網(wǎng)技術(shù)人員多,可以降低企業(yè)培訓(xùn)維護(hù)成本;第三,以太網(wǎng)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率可以提供足夠的帶寬。而且以太網(wǎng)資源共享能力強(qiáng),利用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)的總線,很容易將I/O數(shù)據(jù)連接到信息系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)很容易以實(shí)時(shí)方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)共享;第四,以太網(wǎng)易與Internet連接。在任何城市、任何地方甚至都可以利用電話線通過(guò)Internet對(duì)企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)視控制;另外,以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),受到了廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā),有多種開(kāi)發(fā)工具可供選擇。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化辦公信息網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步,企業(yè)綜合自動(dòng)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(wǎng)可方便實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接的優(yōu)勢(shì),可以使電子商務(wù)與工業(yè)生產(chǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)真正意義上的企業(yè)管控一體化。 3 以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問(wèn)題 3.1信息傳輸存在實(shí)時(shí)性差和不確定性 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求具有比較高的實(shí)時(shí)性和確定性。而以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議(CSMA/CD)以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法(BEB),因此必導(dǎo)致信息傳送的滯后,因其時(shí)間滯后是隨機(jī)的,這說(shuō)明實(shí)質(zhì)上以太網(wǎng)是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此,對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過(guò)程會(huì)存在產(chǎn)生碰撞的可能性,造成響應(yīng)時(shí)間的不確定性,使信息不能按要求正常傳遞,無(wú)法滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所要求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性。 3.2以太網(wǎng)的可靠性差 安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備應(yīng)該具有高可靠性,即能夠抗沖擊、耐振動(dòng)、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(wǎng)主要應(yīng)用于辦公自動(dòng)化領(lǐng)域,其所用插接件、集線器、交換機(jī)和電纜等都是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,抗干擾能力差,難以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境要求。 3.3缺乏應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了ISO/OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,即使再加上TCP/IP協(xié)議也只是提供了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能。兩個(gè)設(shè)備要想正常通信必須使用相同的語(yǔ)言規(guī)則,也就是說(shuō)還必須有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議。目前,商用計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域采用的應(yīng)用層協(xié)議主要是FTP(文件傳輸協(xié)議),Telnet(遠(yuǎn)程登陸協(xié)議),SMTP(簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議),HTTP(超文本傳輸協(xié)議)等。這些協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不符合工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信要求。因此,必須制定統(tǒng)一的適用于控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。

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