浅谈以太网在工业控制系统中的应用

1 工业控制网络在综合自动化系统中的地位和特点

工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础, 从结构上看可分为三个层次:即管理层、监控层和现场设备层 (如图1所示) 。

其中, 最上层的企业管理层网络, 主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。数据报文通常都比较长, 吞吐量较大, 而且数据通信的发起是随机的、无规则的, 因此要求网络必须具有较大的带宽。中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输, 其特点是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, 这一层网络则主要由传输速率较高的网段, 而最底层的现场设备层网络则主要用于变送器、执行机构等现场设备之间、以及现场设备与控制室仪表之间的信息传输。它具有以下特点: (1) 传输的信息长度较小。其长度一般都比较小, 通常仅为几位 (bit) 或几个、十几、几十个字节 (byte) , 对网络传输的吞吐量要求不高。 (2) 通信响应实时性要求较高。一是传输速度要快, 即网络通信速率要高, 二是响应时间要短。 (3) 较强的可靠性与安全性。它包括电磁环境适应性、气候环境适应性、机械环境适应性。而安全性要求则是指, 传输的能量要小在正常工作或出现故障时, 均不致引发灾难事故。

2 以太网 (Ethernet) 的特点

Ethernet采用IEEE802.3标准, 星型或总线型结构, 传输速率为10M、100M、1000M甚至更高, 传输介质为屏蔽 (非屏蔽) 双绞线、光纤、同轴电缆等。

Ethernet区别于其他网络 (如令牌网、令牌环网、主从式网络等) 的重要特点是, 它采用的介质访问控制方法——CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, 冲突检测载波监听多点访问) 是一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是:某节点要发送报文时, 首先监听网络, 如网络忙, 则等到其空闲为止, 否则将立即发送, 并同时继续监听网络;如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时, 将发生碰撞, 同时节点立即停止发送, 并等待一段随机长度的时间后重新发送。16次碰撞后, 控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。

在网络负荷较高时, Ethernet上存在的这种碰撞成了主要问题, 因为它极大地影响了Ethernet的数据吞吐量和传输延时, 并导致Ethernet实际性能的下降。由于在一系列碰撞后, 报文可能会丢失, 因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。Ethernet的这种CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。

而对于工业现场控制网络, Ethernet的这种通信“不确定性”会导致通信延迟的“不确定性”, 并导致系统控制性能下降, 控制效果不稳定, 甚至会引起系统振荡;在有紧急事件信息需要发送时, 还会因报警信息不能及时得到响应, 而导致灾难事件的发生, 并成了它应用于工业控制网络的主要障碍。

3 以太网 (Ethernet) 如何进入工业控制领域

以太网要想进入工业控制领域必须解决实时性的问题。我们知道, 令牌总线控制方式在工业控制领域应用得较多, 其特点是, 网络上各工作站对总线的控制权是由令牌来控制的。收到令牌的节点在一段规定时间内拥有网络传输介质的控制访问权, 并向网络上发送一帧或多帧信息, 当该站传输已经完成或它占用网络的规定时间到时, 它就将令牌传递到下一逻辑站。因此, 传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。由于令牌传递时间、拥有令牌的节点占用网络控制权的时间是预先规定好的, 在网络节点数量一定的情况下, 每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出来的, 因此, 令牌网又称为“确定性”网络。显然, 这种确定性比较适合通信确定性和响应实时性要求较高的工业控制系统中应用。其中Arcnet网络就是比较著名的令牌总线之一, 传输速率为2.5Mbps, 数据帧长度最大为508字节, 可使用电缆、双绞线和光纤等传输介质。

可以发现, 在负荷较轻时, Ethernet网络的响应速度明显大于Arcnet网络, 但随着负荷的增加Ethernet网络的响应速度就急剧下降, 而Arcnet网络却下降得非常缓慢。这是因为, 当负荷轻时, Ethernet网络的节点发送数据时发生碰撞的概率很低, 几乎可以随时发送, 而Arcnet网络则必需要有令牌才能发送, 当然没有Ethernet网快。但当负荷很重时, Ethernet网的碰撞概率急剧增加, 同时, 也可看出, 当网络负荷低于25%时, Ethernet网的响应速度要比Arcnet网要快。在典型的工业控制系统应用中, 通信峰值负荷为10M Ethernet的5%, 100M Ethernet网络中的负荷为0.5%。如果通过仔细设计, 对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制, 使网络负荷低于10%, 完全可以采用Ethernet网来取代Arcnet网等令牌网。Ethernet的通信速率从10M、100M到如今的1000M、10G, 在数据吞吐量相同的情况下, 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小, 也就意味着网络碰撞机率大大下降。

其次, 采用星型网络拓扑结构, 交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能, 使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲, 不再会发生碰撞;同时交换机还可以对网络上传输的数据进行包过滤, 使每个网段内节点之间数据的传输只限在本地网段内进行, 而不需经过主干网, 也不占用其他网段的带宽, 从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。

再次, 全双工通信又使得端口间两对双绞线 (或两根光纤) 上分别同时接收和发送报文帧, 也不会发生冲突。

因此, 采用交换式集线器和全双工通信, 可以使网络上的冲突域已经不复存在 (全双工通信) , 或碰撞机率大大降低 (半双工) , 并由此使Ethernet通信“确定性”和实时性得到大大提高。

4 结语

工业现场的通信网络是实现企业信息化的基础, 随着企业信息化与自动控制技术的发展, 发展基于以太网的网络化控制系统, 应用于各种自动化控制领域, 发挥其本身具有的高质量、高速度、高灵活性和低成本的特点, 采取分步实施的策略, 首先从解决“数字通信”开始, 再逐步过渡到全分散现场控制、管控一体化方向发展, 必将为企业现代化生产带来更大的益处。

摘要：随着工业现代化的逐步推进, 企业综合自动化的地位越来越明显, 在以太网应用如此普及的今天, 如何把以太网应用到工业控制领域当中, 以实现高速、低耗、易于安装和兼容性好的优势, 克服其本身的缺点, 让它成为现场设备层的主力, 从而达到生产管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。

关键词：现场总线,以太网,工业控制系统