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工业以太网现场总线发展的未来趋势


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《 测控技术》20 年第 2 卷增刊 04 3

文章编号:10 -89( 04 S -300 0 082 20 ) O05-2

工业以太网

现场总线发展的未来趋势
侧!学好信 , 川成 60) 陈 敏,赵春云,周新志 队 衅院 四 都 16 04

uta Eh r t    D v l m nTed F l u n s i t n — Ftr ee p et n o id s d r l e e u e  o u r f  b e

摘要;分析了 企业自 动化网 络系统的体系结构;结合以太网的
特点, 讨论了当以太网 应用于工业控制现场时的一些关健技术; 最后对未来发展做出 展望。 关键词:工业以太网;现场总线;网络体系结构 中图分类号:T 33 P9 文献标识码:A A s at h s c r o et p s at ao nto i bt c:T e  t e  n r i u m tn  w r s r t u f  e re  o i e k  u r aa zd C m i d t t ca c rt o Ehre s e  nl e.  b e w h  hr tii f e t  ky y o n i h e  a esc  t n o m e t hi e a d cs d  e Ehr t ape t i uta e n us  i us w n  e e i pld  n si c q r s e h t n s  i o  rl e  d cn l  . n ay  rdvl m niepc d ot fl E et l f u ee p et  et . o e r id v u u e  o t s  e x K y rs i utaEhre f l u;  ok  t e w d:  si t n t id snt r ss m o n r l e ;  b e d e w ye

们开始寻求新的出路,并关注到以太网。

1 以太网技术是现场总线技术未来发展的趋势
今天以太网己无可争议的成为管理信息层的主要网络技      术, 过程监控网络也由R - 5 R 22 S 8,  3 等串行通信方式逐渐统 4 S 一到以太网络,几乎所有的P C和远程 I L / O供应商都能提供支 持 T P P的以太网接 口的产品。 C/ I 以太网之所以给 自 动化市场带 来风暴式的革命,主要有以下几个原因。 ①以太网具有价格低、多种传输介质可选、高速度、易于      组网等优点,是当今最流行、应用最广泛的通信网络。 ②易与 I e e     n r t连接。过去十几年中 Ie e t n n r t的兴起和 t n Wi o s U i 等操作系统逐渐处于主导地位,像 T P P以 n w ,  x d n C/ 及 I 其他一些定义明确的传输协议得到广泛应用。 能走出办公室, 在 任何地方利用电话线通过 I e e对企业生产进行监视控制,无 nr t t n 疑是现代企业提高生产率、 增强竞争力的有效手段。 为获取这样 的手段,将以太网应用到工业领域应该是最方便的解决方案。 ③以太网可以克服现场总线不能与计算机网络技术同步发      展的弊端。 ④以太网是统一现场总线,特别是高速现场总线标准的希      望。目 前的现场总线控制系统主要是低速总线,数据吞吐能力 相当有限。 同时有多种标准并存, 而且各个标准之间并不兼容, 这给互操作性的实现带来了巨大的困难。而以太网是世界范围 内的网络标准, 将其应用到现场设备的努力一直进行着, 通过以 太网形成真正统一的标准也成为广大用户的希望。 由于以上优势,      以太网己经成为现场总线未来发展的趋势。

随着控制、计算机、通信、网络技术的发展,信息交换领      域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、 管理的各个层次。 信息技术的飞速发展,导致了自 动化系统结构的变革,而逐步 形成以网络集成 自 动化系统为基础的企业信息系统。当前,在 企业网络不同层次间传送的信息已变得越来越复杂,工业控制 网络在开放性、互连性、带宽方面提出了更高的要求。 一般来讲,工业控制网络作为工业企业综合 自      动化系统的 基础,从结构上看可分为 3 个层次,从底向上依次为:现场设 备层、制造执行层和企业管理层。 其中,最上层的企业管理层,主要用于企业经营管理等方      面信息的传输。管理层上各终端设备之间进行信息交换的数据 报文都比 较长,数据吞吐量比较大,而且数据通信的发起是随 机的,因此要求网络必须具有较大的带宽。目 前企业管理网络 主要由快速 Ehr t  0 t n (0 M,  0  1 G等)组成。 ee 1 10 M,  0 0  中间的制造执行层主要用于监控、优化、调度等方面信息      的传输,信息传输具有一定的周期性和实时性,数据吞吐量较 大,因此要求网络具有较大的带宽。这部分网络主要由传输速 率较高的网段 ( 1 m,  m 以太网等)组成。 如 0 lo o 而最底层的现场设备网络则主要用于控制系统中大量现场      设备之间测量与控制信息的传输。 这些信息报文的长度一般都比 较小, 对网络传输的吞吐量要求不高, 但对通信响应的实时性和 确定性要求较高,同时要有较强的可靠性和安全性。由于以上特 点和特殊性,目 前现场设备层主要由 低速现场总线网络组成。 正是由于工业 自      动化系统正向分布化、智能化的实时控制 方面发展,其中,通信已成为关键,用户对统一的通信协议和 网络的要求 日益迫切。另一方面,I e eI r e 等信息技术 n r tn a t t / tn n 的飞速发展,要求企业从现场控制层到管理层都能够实现全面 的无缝信息集成,并提供一个开放的基础构架,但 目 前的现场 总线尚不能满足这些要求。应该说,现场总线的出现确实给工 业自 动化带来一场深层次的革命,但多种现场总线互不兼容, 不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输,信
息网络存在协议上的鸿沟导致出现 “ 自动化孤岛”等,促使人

2 以太网应用于工业现场的几个关键技术问题
以太网在应用于工业控制网络时,      还需解决以下关键问题。

2 实时通信服务质量支持策略 . 1 所谓实时通信服务质量,是指以太网应用于工业看着现场      时,为满足工业自 动化实时控制要求,而提出的一系列通信特
征要求, 这些特征包括响应延迟、 传输延迟、 吞吐量、 可靠性、 传输失败率、优先级等。 为此,将以太网应用于工业现场设备间通信时,应根据工      业现场控制系统实时通信要求和特点的分析,制定相应的系统 设计、流量设计、优先级控制、数据报重发控制机制等策略, 以保证网络通信的实时服务质量。 首先,      在网络拓扑上, 采用星型连接代替总线型结构, 使用网

桥或路由 器等设备将网络分割成多个网段。 在每个网段上, 以一
个多口集线器为中心,将若干个设备或节点连接起来。这样, 挂 接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域,每个冲突域均采

用C M /  S AC D机制来管理网络冲突。 这种分段方法可以使每个
冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大减小。 其次,      使用以太网交换技术, 将网络冲突域进一步细化。用交 换式集线器代替共享式集线徽 使交换机各端口之间可以同时形

以太网 — 现场总线发展的未来趋势
成多个数据通道, 正在工作的端口上的信息流不会在其他端口上 广播, 之间信息报文的输入和输出己不再受到 C MA C 端口 S /  D介 质访问控制协议的约束。 因此, 在以太网交换机组成的系统中, 每个端口 就是一个冲突域, 各个冲突域通过交换机实现了隔离。

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再次,      采用全双工通信技术, 可以使设备端口间两对双绞线 ( 或两根光纤) 上可以同时接收和发送报文帧, 从而也不再受到 C MA C 的约束, 任一节点发送报文帧时不会再发生碰 S /  D 这样,
撞, 冲突域也就不复存在。 2 总线供电 . 2 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。特别是在环境恶劣与危险场合,总线供电具有 十分重要的意义。 2 可互操作性 . 3 可互操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通      过统一的应用层协议进行通信与互用,性能类似的设备可以实 现交换。这样,一方面提高了系统的质量,另一方面为用户提 供了更大的市场选择机会。可互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所接受,并进行大面积推广 应用的关键。

制流量只能从特定的安全点去向外界、防止服务拒绝攻击以及 限制外部用户在其中的行为等效果。 2 本质安全与安全防爆技术 . 6 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。用于这些场合的智能及通信设备,都必须采用 一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。 以太网系统的本质安全包括工业现场以太网交换机、传输      介质以及基于以太网的变送器和执行结构等现场设备。由于 目 前以太网收发器本身的功耗都比较大,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。 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,即通过对以太网现场设备 ( 包括安装在现场的以太 网交换机)采取增安、气密、浇封等防爆措施,得设备本身的 故障产生的电火能量不会外泄,以保证系统使用的安全性。 同时,      需要进一步研究与发展本安理论, 使之在理论与技术 上有所突破,以适应当前形势下复杂设备的开发与应用,同时也 可以使 目 前的以太网产品与元器件尽可能直接应用于过程工业。 2 远距离传输 . 7 由于通用以      太网的传输速率比较高, 考虑到信号沿总线传播 时的衰减与失真等因素,以太网协议 ( E 82 协议)中 I E 0. E 3 对传

由于以      IE 82 ) 太网( E0.只映射到 I /S 参考模型中的物 E 3 S OI O 理层和数据链路层, C / 映射到网络层和传输层,而对更高 T PP I
层次没有作技术规定。以太网上没有统一的应用层协议, 因此, 这些以太网设备中的应用程序是专用的,而不是开放的,不同 应用程序之间的差异非常大,相互之间不能实现透明互访。

输系统的要求作了 详细的规定, 如每一段双绞线 ( B e )的 I a- Os T  长度不得超过 lo ;使用细同轴电缆 (O a -)时每段的最 om 1 s 2 Be
大长度为 15 8m;而使用粗同轴电缆 (O a -)时每段的最大 1B s 5  e 长度也仅为 50 0m。然而,在工业生产现场,由于生产装置一般 都很复杂, 各种测量和控制仪表的空间分布分散, 彼此间的距离 较远 。对于这种情况,如遵照传统的方法设计以太网,使用 I  e Oa - B T双绞线就显得远远不够,而使用 l  e s O a - 1B e B 2或 O a - s s 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。 因此,在设计应用于工业现场的以太网网络时,将控制室      与各个控制域之间用光纤连接成骨干网,这样不仅可以解决骨 干网的远距离通信问题, 而且由于光纤具有较好的电磁兼容性, 因此可以大大提高骨干网的抗干扰能力和可靠性。通过光纤连 接,骨干网具有较大的带宽,为将来网络的扩充、速度提升留 下很大的空间。各控制域的主交换机到现场设备之间可采用屏 蔽双绞线,而各控制交换机的安装位置可选择在靠近现场设备
的地方 。

要解决这个问      题,办 法就是在以 和T P D ) 协议 太网 C ( PI U / P
的基础上, 制定统一并适用于工业现场控制的应用层技术规范, 同时可参考 IC有关标准,在应用层上增加用户层,将工业控 E

制中的功能块F (ntn c) Bf co b k u i l 进行标准化,通过规定它们各 o 自的输入、输出、算法、事件、参数,并把它们组成可在某个
现场设备中执行的应用进程,便于实现不同制造商设备的混合 组态和调用。 2 网络生存性 . 4 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 是否是硬件,都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序以 至于整个系统的瘫痪,这说明该系统的网络生存能力非常弱。 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。 为提高工业以太网的生存能力,可用于以下方法:在进行      基于以太网的控制系统设计时,通过可靠性设计提高现场设备 的可靠性;采用环型冗余以太网结构网络以提高系统的可恢复 性; 采用智能设备管理系统, 对现场设备进行在线监视和诊断、 维护管理。 2 网络安全性 . 5 目      前以太网己经把传统的三层网络系统合为一体,使数据 的传输速率更快、实时性更高,同时它可以接入因特网,实现 数据的共享,使工厂高效率的运作,但同时引入了一系列的网 络安全问题。 对此,一般可采用网络隔离的办法,如采用具有包过滤功      能的交换机将内部控制网络与外部网络系统分开。该交换机除 了实现正常的以太网交换功能外,还作为控制网络与外界的唯 一接口,在网络层中对数据包实施有选择的通过 ( 即所谓的包 过滤技术) 。 此外,还可以通过引进防火墙机制,进一步实现对内部控      制网络访问进行限制、防止非授权用户得到网络的访问权、强

3 结 克语
我们相信,现场总线不可能为工业以太网所替代,但后者      发展的巨大潜力决不容忽视, 其应用领域定将不断地得到扩展。 在未来应用于控制领域 的网络技术应该是以以太网技术为基 础,融合传统现场总线的经验、 特点,并增强网络的实时性能, 从而最终形成一条全新的高速现场总线。这种全新的网络技术 应该能够贯穿于整个网络的各个层次,实现了办公自 动化和工 业自 动化的无缝结合,其 良 好的互联性和可扩展性使之成为一 种真正意义上的全开放的网络体系结构。 参考文献:
[ 邹益仁, 1 ] 马增良等. , 现场总线控制系统的设计和开发【] M. 北京: 国防工业 出版社, 0- .      3 1 2 0 0 [ 阳宪惠现场总线技术及其应用[1 2 ) M. 北京: 清华大学出 版社, 9- . 196 9 0 [ Gl r d 太网[] 3 ie Hl以 ]  t e . b M. 北京: 人民邮电出 版社, 9- . 1 98 9 0 [ 4 1冯冬芹, 金建祥, 以太网与现场总线[. 动化仪表,20, ). 等. [自 J ] 02 ( 6

作者简介:陈敏( 8-) 1 0 ,女,四川大学电子信息学院, 9 在读研 究生; 赵春云( 7- ,男,四川大学电 15 ) 9 子信息学院在读级研 , 究生; 周新志,男,四川大学电子信息学院副教授,智能控制
研究所。


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