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案例頻道 桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院、杭州盈控自動(dòng)化有限公司 黃福彥
桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院 韓東升、程大方
桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院 韓東升、程大方
摘 要：計算機數字通訊技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，尤其是近年來(lái)新興的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了集散控制系統網(wǎng)絡(luò )結構發(fā)生了重大變化，現代控制多層網(wǎng)絡(luò )結構是DCS控制系統發(fā)展的必然趨勢。本文介紹了一般控制系統網(wǎng)絡(luò )中的常用的管理網(wǎng)、系統網(wǎng)、控制網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )。
關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；系統網(wǎng)；集散控制系統
Abstract :The development of the techniques of computer digital communication and information is propelling the progress of automation technology. The newly developed technology of industrial Ethernet to the industrial automation, which would cause great changes in DCS control system structure, and will be the end-result of the traditional control system based on DCS controlling system. This article introduces managerial net, systems net, control net.
Key words: industrial Ethernet；systems net； DCS
以太網(wǎng)產(chǎn)生于1973年，當時(shí)，施樂(lè )公司的Bob Metcalfe在一張餐巾紙上勾畫(huà)出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現在還保存在施樂(lè )公司的Palo Alto研究中心。最初的Ethernet標準通訊速率是2.94Mbps。在施樂(lè )公司和Intel公司、Digital Equipment公司合作開(kāi)發(fā)了DIX2.0標準后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時(shí)期，國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）指定了Ethernet的CSMA/CD 802.3標準。1983年CSMA/CD 802.3標準正式確定并被采用。近幾年來(lái)，隨著(zhù)計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革，Ethernet逐漸的進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。據統計，目前在工業(yè)領(lǐng)域有超過(guò)100種通訊協(xié)議被應用于各種各樣的工業(yè)計算機平臺之間的數據交換，從智能傳感器到參域的監控系統都在應用Ethernet。Ethernet是目前可用的最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，因而控制系統結構向網(wǎng)絡(luò )化、開(kāi)放性方向發(fā)展將是控制系統技術(shù)發(fā)展的主要潮流，以太網(wǎng)作為目前應用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域將會(huì )得到了越來(lái)越多的應用[1]。
1 以太網(wǎng)發(fā)展趨勢及其技術(shù)介紹
目前，以太網(wǎng)已經(jīng)應用到了各個(gè)領(lǐng)域，尤其在集散控制系統中已滲透到了管理層、系統層、控制層和設備層[2]，很多的DCS系統網(wǎng)絡(luò )結構一般都包含這四層。以太網(wǎng)之所以給自動(dòng)化市場(chǎng)帶來(lái)風(fēng)暴式的革命，主要有3個(gè)原因：低成本的刺激和速度的提高；現代企業(yè)對實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息有越來(lái)越多的要求；以太網(wǎng)的開(kāi)放性和兼容性。
隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展以太網(wǎng)傳輸速度有了極大的提高，基于TCP/IP的協(xié)議簇已經(jīng)成為工業(yè)界事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò )標準，在不同廠(chǎng)商的不同網(wǎng)絡(luò )系統互聯(lián)方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。但當以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時(shí)，體現在應用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議[3]。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )架構。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從管理層向下延伸到系統層、控制層和設備層，當集散控制系統采用以太網(wǎng)架構以后，集散控制器的位置也可以突破傳統網(wǎng)絡(luò )架構的限制，可以位于現場(chǎng)，也可以位于中央控制室[4]。目前很多控制器與遠程I/O都支持以太網(wǎng)，有些控制器和遠程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶(hù)也可以和控制層的用戶(hù)一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態(tài)值。此外，通過(guò)Internet可以實(shí)現對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠程監控，將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據與ERP系統以及實(shí)時(shí)的用戶(hù)需求結合起來(lái)，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機會(huì )和市場(chǎng)的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應經(jīng)濟全球化的要求。
2 集散控制系統網(wǎng)絡(luò )的典型結構
一般來(lái)講，現代集散控制系統網(wǎng)絡(luò )可分為4層：管理網(wǎng)、系統網(wǎng)、控制網(wǎng)、設備層網(wǎng)，如圖1所示。
圖1 集散控制系統網(wǎng)絡(luò )構圖
2.1 管理網(wǎng)
管理網(wǎng)MNet實(shí)現不同單元裝置或生產(chǎn)車(chē)間之間的協(xié)調控制、數據通訊；企業(yè)內多組裝置或生產(chǎn)過(guò)程的管理數據通訊；大型工業(yè)過(guò)程各子系統間的協(xié)調控制與調度管理；通訊介質(zhì)一般采用光纖、同軸電纜、雙絞線(xiàn)。其功能如下：
● 可從運行有數據服務(wù)軟件的操作站（或專(zhuān)用服務(wù)器）上獲取系統過(guò)程參數和系統運行信息，同時(shí)向下傳送上層管理計算機的調度指令和生產(chǎn)指導信息；
● 企業(yè)內多組裝置或生產(chǎn)過(guò)程的管理數據通訊；
● 大型工業(yè)過(guò)程各子系統間的協(xié)調控制與調度管理；
● 工廠(chǎng)級的綜合管理、調度、統計和決策等。
2.2 系統網(wǎng)
系統網(wǎng)SNet是連接工程師站、操作站、控制站等節點(diǎn)的實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現現場(chǎng)控制站傳遞現場(chǎng)I/O采集數據至操作站；各現場(chǎng)控制站間的數據傳遞，以滿(mǎn)足大范圍協(xié)調控制的需要；操作站和工程師站向現場(chǎng)控制站傳遞控制指令或組態(tài)數據；保持各操作站之間數據的一致性[5]。系統網(wǎng)一般采用符合IEEE802.3標準的工業(yè)以太網(wǎng)；其通訊速率10M/100Mbps，傳輸介質(zhì)為5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)。系統網(wǎng)采用可靠性高的冗余結構，熱備份工作，可以保證在任何一條網(wǎng)絡(luò )失效的情況下不影響系統通訊。系統網(wǎng)拓撲結構為星型和菊花鏈型，在一定區域范圍的各節點(diǎn)都通過(guò)雙絞線(xiàn)連到一個(gè)以太網(wǎng)交換機上，各區域又通過(guò)雙絞線(xiàn)或光纖把多個(gè)光端機/交換機互連在一起。系統網(wǎng)的最大通訊距離與交換機/光端機的個(gè)數和使用的通訊介質(zhì)有關(guān)。
系統網(wǎng)絡(luò )主要完成下面的基本功能：
● 現場(chǎng)控制站傳遞現場(chǎng)I/O采集數據至操作站；
● 各現場(chǎng)控制站間的數據傳遞，以滿(mǎn)足大范圍協(xié)調控制的需要；
● 操作站和工程師站向現場(chǎng)控制站傳遞控制指令或組態(tài)數據；
● 保持各操作站之間數據的一致性。
系統網(wǎng)絡(luò )SNet網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示。
圖2 系統網(wǎng)絡(luò )SNet網(wǎng)絡(luò )結構
系統網(wǎng)的通訊介質(zhì)、交換設備、網(wǎng)絡(luò )適配器等均可雙重冗余配置，對于冗余配置的兩個(gè)網(wǎng)工業(yè)系統一般分別稱(chēng)之為A網(wǎng)和B網(wǎng)。發(fā)送數據的站點(diǎn)在發(fā)送數據時(shí)，無(wú)論兩條線(xiàn)路均正常工作還是僅有一條線(xiàn)路正常工作，均把數據包向兩個(gè)線(xiàn)路都發(fā)送，接收站點(diǎn)則根據所接收的數據包的時(shí)間順序或質(zhì)量標記僅選取冗余的兩個(gè)數據包中的一個(gè)。這樣不僅可避免網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路交錯出現故障（如圖3所示）時(shí)無(wú)法正常收發(fā)數據的情況，而且在不正常的網(wǎng)絡(luò )恢復正常時(shí)，系統幾乎不需要恢復時(shí)間就可重新正常通訊。
圖3 系統網(wǎng)絡(luò )SNet交錯故障示意圖
系統網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程實(shí)時(shí)信息的傳遞是完全基于UDP/IP協(xié)議的。UDP協(xié)議是最簡(jiǎn)單的、無(wú)連接的傳輸協(xié)議，在通訊過(guò)程中，UDP協(xié)議不但減少了因建立連接和撤銷(xiāo)連接所需的巨大開(kāi)銷(xiāo)，而且不進(jìn)行數據的確認與重傳，從而極大的提高了傳輸速率。此外系統網(wǎng)絡(luò )在UDP協(xié)議的基礎上，大量使用了組播和廣播技術(shù)，從而進(jìn)一步大大的減輕了網(wǎng)絡(luò )通訊負擔。對于數據傳輸的系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序還提供流量控制、差錯控制、自動(dòng)重發(fā)、報文傳輸時(shí)間順序檢查、報文質(zhì)量標記檢查等確保數據可靠的功能。因此系統網(wǎng)絡(luò )充分的保證了過(guò)程信息能夠高效、實(shí)時(shí)、可靠的傳遞，并且能夠保證基于工業(yè)以太網(wǎng)的系統網(wǎng)絡(luò )不會(huì )因通訊負擔過(guò)重而癱瘓。
2.3 控制網(wǎng)
控制網(wǎng)絡(luò )采用CAN（Control Area Network）現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)，符合ISO11898 CAN Specification 2.0B標準，是一種按優(yōu)先級搶占式的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，它的數據通訊具有較高的可靠性、實(shí)時(shí)性與靈活性，CAN總線(xiàn)的通訊距離長(cháng)，速遞快，是一種價(jià)格低廉，適用于在多種工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行通信的總線(xiàn)，它具有以下特點(diǎn)[6]：
● 多主工作方式，網(wǎng)絡(luò )上任意一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需地址等節點(diǎn)信息，可方便地構成多機備份系統[7]；
● 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的數據最多可在134us內得到傳輸；
● 采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò )負載很重的情況下也不會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )癱瘓情況；
● 只需通過(guò)報文濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的“調度”；
● 節點(diǎn)數主要取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路，報文標識符可達2032種（CANBUS2.0A），而擴展標準（CANBUS2.0B）的報文標識符幾乎不受限制；
● 采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果；
● 每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數據出錯率極低；
● 節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響；
● 通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活[8]。
控制網(wǎng)絡(luò )是現場(chǎng)控制站內部使用的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現現場(chǎng)控制站內部的各個(gè)智能I/O模板和控制模板之間的互聯(lián)和信息傳遞。如圖4所示國內某集散控制系統廠(chǎng)家DCS的CAN總線(xiàn)連接圖，現場(chǎng)控制站的控制網(wǎng)絡(luò )上接有4個(gè)機籠，左邊兩個(gè)是本地機籠，右邊兩個(gè)是遠程IO機籠，通過(guò)光纖與本地IO機籠連接。每個(gè)機籠內都有10塊I/O插槽，最左邊兩塊插槽插入控制模塊，右邊插槽插入IO模塊。
圖4 控制網(wǎng)絡(luò )Cnet的網(wǎng)絡(luò )結構圖
2.4設備層
設備層又叫靈巧總線(xiàn)SmartBus是IO模塊內部連接I/O模塊與底板控制器的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現控制器和所有智能I/O模塊之間的互連和信息傳送，具有以下特點(diǎn)：
● 支持點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送和廣播發(fā)送功能；
● 節點(diǎn)錯誤嚴重時(shí)不會(huì )影響其他節點(diǎn)正常工作；
● 傳輸時(shí)間短，不易干擾，具有極好的檢錯效果；
● 容易實(shí)現信號和信號之間，信號和主機之間的隔離；
● 容易實(shí)現模塊級功能擴展。
3 結論
從上述案例論述中，我們可以得出以下簡(jiǎn)單的結論：工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢應該是分布式、開(kāi)放化、立體化和信息化。分布式的結構是一種能確保網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)智能的模塊能夠獨立的工作的網(wǎng)絡(luò )，達到系統危險分散的概念；開(kāi)放化則是系統結構具有與外界的接口，實(shí)現系統與外界網(wǎng)絡(luò )的連接；立體化則使系統網(wǎng)絡(luò )傳輸分工更加細化；信息化則是使系統信息能夠進(jìn)行綜合處理能力，與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)結合實(shí)現網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)化和管控一體化?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的集散控制系統具有低成本和開(kāi)放性，可以實(shí)現遠程控制，易于與管理結合，實(shí)現管控一體化。
參考文獻：
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作者簡(jiǎn)介: 黃福彥（1976-），男，山東菏澤人，桂林工學(xué)院研究生，主要研究方向為過(guò)程控制與參數檢測；
韓東升（1982-），男，河南鄭州人，桂林工學(xué)院研究生，主要研究方向為虛擬儀器； 程大方（1983-），男，山東菏澤人，桂林工學(xué)院研究生，主要研究方向為是基于agent的分布式控制系統.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號