摘 要: 隨著現(xiàn)場總線的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)也將成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以太網(wǎng)也以其數(shù)字式、可互操作、開放性的特點(diǎn)受到越來越多關(guān)注和重視。本文通過分析解決以太網(wǎng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題，設(shè)計并構(gòu)建了一種基于Ethernet的工業(yè)過程控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵字: 以太網(wǎng);工業(yè)過程;控制系統(tǒng);現(xiàn)場總線 1 引言 　　由于不同現(xiàn)場總線之間的技術(shù)特點(diǎn)與設(shè)計特征不同，基于不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)品之間不能實現(xiàn)透明信息互訪。從理論上講，通過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備和網(wǎng)關(guān)可以將不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品連接起來、實現(xiàn)它們之間信息的互相訪問，但這樣做無疑是增加了信息傳送的復(fù)雜性，而且由于不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在錯誤檢查、配置等方面都有它們專有的技術(shù)規(guī)范，信息在不同總線之間傳輸時經(jīng)常會丟失，而以太網(wǎng)技術(shù)可以很從容的克服這些問題。 2 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案 　　工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)。根據(jù)以太網(wǎng)的特點(diǎn)和現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，有以下設(shè)計方案。專用的工業(yè)以太控制網(wǎng)絡(luò)。采用一些和普通以太網(wǎng)不同的專有技術(shù)，用以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)現(xiàn)場總線所具備的所有控制功能，實現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合。如采用專門的以太網(wǎng)集線器技術(shù)，以集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器;把現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，改造出了專用的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)方框圖與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　與其它控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。以太網(wǎng)正逐步向現(xiàn)場設(shè)備級深入發(fā)展，并盡可能和其它網(wǎng)絡(luò)形式融合。目前，基于Ethernet +TCP/IP的傳感器、變送器可以直接成為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，其控制參數(shù)和控制狀態(tài)可以直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸和共享，從而避免了FCS因存在多種協(xié)議而難以集成的局面。但以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議原本不是面向控制領(lǐng)域的，在體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議規(guī)則、物理介質(zhì)、數(shù)據(jù)、軟件和使用環(huán)境等方面與成熟的自動化解決方案相比還是有著很多需要我們?nèi)パ芯坎⒓右越鉀Q的課題，因此，其它控制形式與以太網(wǎng)保留各自的優(yōu)點(diǎn)并互為補(bǔ)充，是目前以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域最常見的應(yīng)用方案。其結(jié)構(gòu)方框圖如下。 [align=center] 圖2 Ethernet/FCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[/align] 　　與其他控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用的工業(yè)以太網(wǎng)為現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)提供了很大的選擇余地，更好的利用現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，減少企業(yè)的投資，降低成本。在理想的工業(yè)以太網(wǎng)大范圍的應(yīng)用之前，這種混合模式是將來一段時間的發(fā)展方向。 3 控制網(wǎng)絡(luò)組建 　　3.1 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 　　從上面分析得知，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線目前是不可能完全為工業(yè)以太網(wǎng)所取代的，但后者發(fā)展的巨大潛力我們決不能忽視。針對我國工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，將現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合起來更有現(xiàn)實意義。因此，本文提出將以太網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、OPC技術(shù)以及面向?qū)ο蠹夹g(shù)，編程實現(xiàn)了將多種現(xiàn)場總線以及PLC、FCS集成在同一以太網(wǎng)上，同時通過1nternet進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 　　控制系統(tǒng)由現(xiàn)場各種儀器儀表、嵌入式控制器、PLC、工控機(jī)、工作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、交換式以太網(wǎng)等組成，可分為過程監(jiān)控層和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層。其中過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，用于連接工程師站、操作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)備等，而在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層，帶以太網(wǎng)接口的PLC直接掛接到交換式集線器上，嵌入式控制器可以通過自帶的以太網(wǎng)接口接入到控制網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場的監(jiān)控工作站實現(xiàn)工業(yè)監(jiān)控組態(tài)、設(shè)備組態(tài)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)管理。遠(yuǎn)程的監(jiān)控工作站則可以利用編程進(jìn)行遠(yuǎn)程的實時數(shù)據(jù)調(diào)用、參數(shù)修改等功能，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。智能儀表和先進(jìn)控制技術(shù)可以在實時數(shù)據(jù)庫平臺上集成，并通過企業(yè)信息網(wǎng)與ERP系統(tǒng)連接，提供生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，最大限度的增加企業(yè)管理和生產(chǎn)調(diào)度的能力。 　　該控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)是，系統(tǒng)的通信建立在Ethernet +TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)關(guān)把各種現(xiàn)場總線集成。當(dāng)上位機(jī)向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送查詢或者控制指令時，它首先通過Ethernet和TCP/IP協(xié)議將相應(yīng)的信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議發(fā)送給響應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備或智能儀表。此外，在這里使用了OPC（OLE for Process Control）接口規(guī)范與應(yīng)用程序?qū)崟r交換數(shù)據(jù)。反過來，當(dāng)現(xiàn)場的智能儀表有信息發(fā)送給上位機(jī)時，需要網(wǎng)關(guān)作為代理，將信息發(fā)送給相應(yīng)的上位機(jī)?？紤]到現(xiàn)場環(huán)境惡劣，操作人員和工程師無法或者無需到現(xiàn)場時，就可以通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和控制。 　　3.2 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)考慮到工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境，現(xiàn)場和遠(yuǎn)程計算機(jī)全部采用工控機(jī)，操作系統(tǒng)采用windows2000/NT，它可提供安全、可靠、簡單的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)配置，支持客戶/服務(wù)器機(jī)制以及采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑軇偃我蕴W(wǎng)控制系統(tǒng)。 　　本系統(tǒng)要完成的任務(wù)是將現(xiàn)場的實時信息數(shù)據(jù)集成到實時數(shù)據(jù)庫中，基于這個實時數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)平臺，在現(xiàn)場工控機(jī)上運(yùn)行組態(tài)軟件和其它應(yīng)用軟件，軟件設(shè)計時遵循OPC的接口規(guī)范，這樣上層的軟件就可以不依賴具體的設(shè)備。同時，通過Internet或者Ethernet，遠(yuǎn)程工作站監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。 [align=center] 圖3 控制系統(tǒng)軟件功能模塊圖[/align] 　　整個系統(tǒng)以實時數(shù)據(jù)庫為中心，主要由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)組成。其中數(shù)據(jù)庫包括實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的服務(wù)器，單獨(dú)的存放在一臺工控機(jī)中，可存儲從各種儀表和設(shè)備系統(tǒng)接口中的獲取時間序列的實時數(shù)據(jù)，并供遠(yuǎn)程客戶端訪問，實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的集成和共享。監(jiān)控組態(tài)軟件的設(shè)計主要分為三個模塊，即初始化模塊、數(shù)據(jù)處理程序模塊和多線程事件處理模塊。其中，初始化功能模塊實現(xiàn)的功能有讀取組態(tài)好的系統(tǒng)配置文件并初始化系統(tǒng)配置硬件、讀取組態(tài)數(shù)據(jù)庫的組態(tài)變量記錄信息創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫、讀取流程圖組態(tài)文件創(chuàng)建圖形顯示畫面。系統(tǒng)完成初始化后，將調(diào)用數(shù)據(jù)通訊程序與下位機(jī)進(jìn)行通信，啟動多線程任務(wù)處理程序，實現(xiàn)圖形顯示、刷新、報警、歷史數(shù)據(jù)存盤、實時報表打印等。 4 以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用 　　為了促進(jìn)以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（Industrial Ethernet Association），并與美國ARC Advisory Group/ARM Research研究中心和Gartner Group等機(jī)構(gòu)合作開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。為了在無間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域穩(wěn)定地工作，美國Synergetic Micro System公司和德國Hirschman公司專門開發(fā)和生產(chǎn)導(dǎo)軌式收發(fā)器系列、集線器系列和交換機(jī)系列，他們安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)線上，并有冗余電源供電;接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。美國NET Silicon公司研制的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口芯片，每片價格已降到10-15美元。目前將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)如下: 　　1、通信實時性。以太網(wǎng)的初衷是以辦公自動化為目標(biāo)而設(shè)計的，并沒有考慮工業(yè)控制領(lǐng)域中的一些問題，它通過采用沖突檢測載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問機(jī)制（CSMA/CD—Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）來解決通信介質(zhì)層的競爭，這種機(jī)制導(dǎo)致了非確定性的產(chǎn)生，因為在一系列的碰撞后，報文可能會丟失，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障，從而使控制系統(tǒng)需要的通信確定性和實時性難以保證。 　　但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和大面積的推廣應(yīng)用，利用以下技術(shù)可使得通信確定性和實時性得到一定程度的增強(qiáng)。采用全雙工端口交換方式; 采用高速以太網(wǎng); 采用交換技術(shù); 此外，為提高實時性還可以將以太網(wǎng)協(xié)議做一定改進(jìn)和向網(wǎng)絡(luò)中加入QoS功能。如現(xiàn)有以太網(wǎng)協(xié)議RETHER（Real-Time Ethernet）和RTCC（Real-Time Communication Control），它們都是在不改變現(xiàn)有硬件設(shè)備的條件下采用一種新穎的傳輸機(jī)制。 　　2、總線供電。所謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。采用總線供電可以減少網(wǎng)絡(luò)線纜，降低安裝復(fù)雜性和費(fèi)用，提高網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的易維護(hù)性。特別是在環(huán)境惡劣與危險場合，“總線供電”具有十分重要的意義。由于Ethernet以前主要應(yīng)用于商業(yè)計算機(jī)通信，一般的設(shè)備或工作站本身已具備電源供電，沒有總線供電的要求，因此傳輸媒質(zhì)只用于傳輸信息。對現(xiàn)場設(shè)備的總線供電可采用以下方法。 　　In-Band方式（通過1、2、3、6來實現(xiàn)電力傳輸）。在目前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設(shè)備端再將這兩路信號分離出來。 [align=center] 圖4 總線供電In-Band方式[/align] 　　這種方法雖然實現(xiàn)了與傳統(tǒng)DCS以及FF、Profibus等現(xiàn)場總線所采用的“總線供電法”相一致，做到了“一線二用”，節(jié)省了現(xiàn)場布線，但由于這種方法與傳統(tǒng)以太網(wǎng)在物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栐谛问缴弦巡灰恢拢虼诉@種修改后的以太網(wǎng)設(shè)備與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備不再能夠直接互連，而必須增加額外的轉(zhuǎn)接設(shè)備才能實現(xiàn)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備（如計算機(jī)的以太網(wǎng)卡）的連接。此外，對于總線供電，還應(yīng)具有過載保護(hù)功能以及冗余供電功能，確保在某一電路發(fā)生故障時，冗余電路可以自行進(jìn)行切換，使用另一電源對終端設(shè)備進(jìn)行供電。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文將以太網(wǎng)這種目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種基于Ethernet的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，并且利用Ethernet TCP/IP使得開放性和低成本成為可能。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 馮冬芹，金建祥，褚健.工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)協(xié)議剖析.PLC&FA 2005.1:6～7 　　[2] 趙杰，張凡.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與發(fā)展[J].儀器儀表用戶，2004，11:1～2 　　[3] 隋運(yùn)峰,劉一博,謝意,周建鴻.TCP在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的問題和解決方法[J].微計算機(jī)信息, 4-3:141-143 　　[4] 蘇紹興等.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003，12:55～56 　　[5] 周國慶,尹燕磊,張留全,張允剛.基于以太網(wǎng)的電力智能監(jiān)控終端的研究[J]. 微計算機(jī)信息, 2007, 3-2：37-38