当今自动化控制的热点—工业以太网

1 概述

　　上世纪八十年代计算机控制系统引入我国水泥行业，水泥工业自动化随之成为水泥新型干法工艺不可缺少的一部分，DCS，PLC是当时控制的热门话题。到了九十年代工业自动化界的热点又转向为现场总线，在一段时间内控制业界推出了几十种现场总线标准，后由IEC确定了八种现场总线为国际标准。水泥工业自动化后也随着现场总线的大流，在部分企业采用了FCS--现场总线控制系统，应用在窑尾和冷却机的控制中，现今Profibus,-DP、 PA、 FF、Control-Net、Device-Net等已广为熟知。进入二十一世纪后，工业以太网（Ethernet）又成为控制界最大热点，其热度甚至超过了当年的现场总线技术，几乎波及到各个角落。目前IEC正在制订工业以太网的国际标准，当今已推出并比较有影响的是Ethernet/IP(ODVA )和PROFINET 等，实际上这些网还是现场总线 DeviceNet, Contro-lNet，Profibus,-DP,PA的上层网段。中国的工业以太网标准也在起飞，如浙大中控联合国内一些企业正在开发的EPA标准，并已向IEC申报。

　　和其他行业一样，我国水泥工业自动化人员并不陌生以太网，在开发管理信息MIS系统时，或者在用PC机组成的办公自动化系统时，多曾采用了商用以太网，但目前热门的是工业实时以太网系统，即在工业领域内从智能传感器到厂区内的监控和管理系统都应用了工业以太网，支持工业以太网的软件极为丰富，有超过100种通讯协议被应用于各种各样工业计算机平台之间的数据交换；低成本高性能的Ethernet产品到处可见，目前几乎所有远程I/O和控制器均能提供一个支持TCP/IP的Ethernet接口。 各种工厂计算机控制系统，如Honeywell公司的TDC和TPS系统、ABB公司的工业IT、SIMENS公司的PCS7等，都采用工业以太网作为管理层和监控层，Ethernet正在成为国际标准。工业实时以太网有何特点，在选择考虑时要注意什么，工业实时以太网络的通信模型以及在联网时用什么基本设备，对于我们水泥行业自动化技术人员应有所了解，本文将就以上的话题论述，并对水泥行业应用工业以太网络的前景做一预测。

2 工业实时以太网络的通信模型和联网基本设备

2.1．工业以太网的特点

　　以太网是采用平等竞争式的介质访问控制方式，即现在使用的CSMA/CD802.3标准（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，冲突检测载波监听多点访问），它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。尤其在网络负荷较高时，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，节点与节点之间的通信将无法得到保障，因此它不能满足自动化系统对通信的实时要求。而我们现在所讨论的是工业以太网，它也是采用了以太网的通信方式，但工业以太网最大特点是：
2.1.1 传输速率快：最初以太网的标准通信速率是2.94Mbps, 而工业以太网的速率是10Mbps，100 Mbps，现在甚至有可支持1000 和10GMbps的以太网。 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。

2.1.2. 实时性：工业通信网络的实时性要求很高，通常制造自动化系统的响应时间要求在0.01~0.5s，过程控制系统的响应时间为0.5~2s，为此在工业以太网中除具有的高通信速率外、还采用了全双工交换技术，即端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，不会发生冲突。另外，网络采用星型网络拓扑结构，由交换机SWITCHER将网络划分为若干个网段。交换机具有数据存储、转发的功能，即能实现来自某一端口的信息，再将信息广播到其他端口的路由功能，并能自动检测网络速度，有MAC地址表，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，避免了消息冲突。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，而不会经过主干网，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。

　　为更可靠、有效做到实时性，在工业以太网的实时技术上各开发商通过创新技术使网络的通信更加顺畅，如采用同步分散实时时钟协议以及高速通道协议等新技术，可以认为目前工业以太网的实时性基本得到解决。
适应工业环境：

　　工业以太网能适应恶劣的工业环境，控制系统的控制器、I/O模块、操作站、工程师站等硬件设备均能满足环境适应性要求，其外壳的保护等级高，一般为IP67，外壳设计也充分考虑了对散热的影响；电源设计、安装方式也适应工业环境。另外工业以太网设有广泛的纠错机制，使它能在恶劣的操作环境下，也有很强的鲁棒性。

　　为了提高网络的抗干扰能力和可靠性，在实际应用中，Ethernet主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术。

有很好的安全性能：

　　将工业现场控制设备通过以太网连接起来时，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，并因此成为众人关心的另一个重要问题。对此，一般可采用网络隔离（如网关、服务器等隔离）的办法，将控制区域内部控制网络与外部信息网络系统分开。此外，还可以通过用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理。目前已有针对工业自动化控制网络安全的成熟软件，如PROFIsafe, CIP Safety等，整个网络能确保运行可靠。

3．工业以太网的通信模型和网络设备

　　综上所述，工业以太网也不是简单把一个数据位从一个设备传送到另一个设备，就能建立起有效的通信联系。所有的数据必须以一个层级的方式组织起来。通常它也是按开联的OSI的7层模型建立通信协议的（见表1）。这个模型定义了传送数据的设备应该怎样在发送前把信息打包；接收数据的设备应该怎样把收到的数据解包，还原成原来的信息。

　　第1层是管理层，接收来自某一端口的信息，再将信息变送广播到其他端口，以太网在这层主要硬件是网络集线器，俗称HUB，水泥行业自动化技术人员多熟悉HUB，在系统中我们通过电缆网将网络集线器和和各种基于以太网的设备连接，如工业PC机、管理PC机、可编程控制器PLC等，集线器接收来自某一端口的信息，再将信息同时的、不加区别的变送广播到其他所有的可用端口。由于集线器使以太网可以有分支连接，整个网络就可以增加设备、网络的距离也可延长。集线器在信息传递方面是低速低效，可能会出现消息冲突。然而集线器的使用非常简单，可以即插即用，但没有冗余功能。

　　第2层是数据链路层，这层主要硬件是交换机SWITCHER,它的作用是过滤和重建以太网的数据包，每个网络交换机都有一个地址列表- MAC地址表，在表上列出了所有连接设备的地址，当网络交换机收到一个数据包时，它会把数据包保存下来，同自身的地址列表进行比较，然后把数据包继续传送到正确的端口，以限制其他无关端口的通信信息量。网络交换机有管理型和非管理型两种，管理型交换机：它可以通过网络的接口实现完全的配置，也能自动与网络设备交互，可手动配置每一端口的网络速度和流量控制，通过镜像到诊断端口，可进行故障诊断和检修。

　　第3层是网络层，在网络层实现路由功能，其基本设备是路由器，路由器根据IP地址过滤网络通讯，把网络分割成子网段，只有拥有特定的IP地址的设备可以通过；路由器的另一作用是能够阻挡广播信息和损坏的数据包，这样可以大大减少子网的通信量。

　　第5层和第7层是会话和应用层，网关是其基本设备，网关的作用是把不同的网络系统互联到一起，网关能够翻译通讯协议中从7层模型的物理层到应用层的所有层面，因此网关可互联完全不同的网络实体。

4．选用工业以太网的考虑因素和水泥行业应用前景

　　我们在选用工业以太网或相应的产品时，要考虑以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口和光口等。如果对工业以太网的网络管理有更高的要求，则要考虑所选产品的高级功能：信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干冗余、环网冗余、服务质量、虚拟局域网、简单网络管理协议、端口镜像等。

　　当今我国水泥行业在国内有影响有实力的大集团粗略统计也有十几家，如海螺、华新、冀东、三狮、亚泰等，他们属下有许多水泥熟料厂和粉磨站，如海螺集团每年水泥产量达几千万吨，它的水泥熟料厂分布在离资源近的安徽等地，而根据水泥市场的需求，粉磨站分布在上海、宁波、南通、张家港等城市附近，为此它必需综合调度其生产、管理和销售等。而目前大多数水泥集团所属企业自动化功能仅用到过程监控级。基于工业以太网强大的生命力，相信由工业以太网组成的控制和管理系统不久将在我国有实力的大水泥集团建成，将集团、公司、熟料厂和粉磨站的生产、销售、管理、财务、质量、原材料等组成一个有机的整体，以发挥最大的经济效益和社会效应。。