简述在工业控制中以太网的应用

在工业生产中,随着生产规模的扩大和复杂程度的提高,实际应用对控制系统的要求也越来越高。 20世纪50年代和60年代,以模拟信号为基础的电子设备和自动化仪表组成的监控系统取代了传统的机电控制系统。 随后在1970年代和80年代出现了集散控制系统DCS(Distributed Control System),将大量分散的单回路测控系统由计算机集中管理,并采用各种I/O功能模块代替控制室乐器。 实现回路调节、工况联锁、参数显示、数据存储等多种功能,从而实现工业控制技术的飞跃。

DCS一般由三个层次组成:操作员站层次、过程控制层次和现场仪表层次。 其特点是“集中管理,分散控制”。 基本控制功能在过程控制层面,工作站层面的主要功能是监督管理。 分散控制最大限度地减少了由于系统某一部分不可靠而对整个系统造成的损害,各种软硬件技术不断成熟,大大提高了整个系统的可靠性,从而迅速成为工业自动化系统。 控制系统的主流。 但是,DCS的结构是多层次的主从关系。 底层之间的信息传递必须经过主机,这就导致主机负荷过重、效率低下,一旦主机出现故障,整个系统就会“瘫痪”。 而且DCS是数模混合系统,现场仪表仍然采用传统的4~20mA模拟信号,工程和管理成本高,灵活性差。 另外,各厂家的DCS都有自己的标准,通信协议封闭,极大地制约了系统的集成和应用。

20世纪90年代,具有数字通信、全分布式系统结构、开放式互联网、多种传输介质和拓扑结构、高环境适应性等特点的现场总线(Fieldbus)技术迅速兴起并趋于成熟。 功能全面转移到现场智能仪表,在此基础上形成的新型现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)集成了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段. ,从根本上突破了传统“点对点”模拟信号或数模信号控制的局限,构成了全分散、全数字化、智能化、双向互联、多变量、多点通讯和控制系统。 相应的控制网络结构也发生了重大变化。 FCS的典型结构分为设备层、控制层和信息层。 现场总线技术的使用使得将控制功能分配给现场设备成为可能。 现场总线标准不仅是一种通信标准,也是一种系统标准。 FCS将取代DCS,推动工控技术的又一次飞跃。

一、现场总线应用中的问题

1.1 标准问题

现场总线控制系统在实际应用中还存在一些问题有待解决,最突出的问题是缺乏统一的标准。 IEC于2000年初公布的IEC61158国际标准产生了IEC现场总线国际标准的八个子集,包括H1(FF)、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE(FF)、SwiftNet、WorldFIP、Interbus。 IEC现场总线国际标准的制定结果表明,在很长一段时间内,将存在多种现场总线并存的局面,这将导致控制网段的系统集成和信息集成困难。 最终用户和工程集成商(包括制造商)都在寻找高性能、低成本的解决方案。 八种现场总线使用不同的通信协议,这些总线之间要实现相互兼容和互操作几乎是不可能的。 每一种现场总线都有自己最适合的应用领域。 在实践中如何根据应用对象组合使用不同层次的现场总线,使系统的各个部分都能选择最合适的现场总线,仍然是摆在用户面前的难题。 一个棘手的问题。

1.2 系统集成问题

在实际应用中,一个大型系统很可能会使用多种现场总线,特别是对于中国那些快速增长的终端用户。 在企业的不同发展阶段和国际跨国制造设备采购中,技术先进的现场总线几乎不可能统一。 公共汽车。 如何将企业的工控网络与管理层的数据网络无缝融合,使整个企业实现管控一体化,是非常关键的。 在设计现场总线系统的网络布局时,不仅要考虑各现场节点的距离,还要考虑现场节点之间的功能关系和信息在网络上的流动。 由于智能现场仪表的功能很强,很多仪表都会有相同的功能块,在组态时要慎重考虑功能块的选择,尽量减少网络上的信息流。 同时,通信参数的配置也很重要,需要平衡系统的实时性和网络效率。

1.3 存在技术瓶颈

现场总线的应用还存在一些技术瓶颈,主要表现在以下几个方面。

(1) 当总线电缆断开时,整个系统可能会瘫痪。 用户希望此时可以降低系统的性能,但不能死机,这是目前很多现场总线无法保证的。

(2)本质安全防爆理论的约束。 现有的防爆法规限制了总线的长度和总线上的负载数量。 这是为了限制现场总线节省电缆的优点。

(3)系统配置参数过于复杂。 现场总线的配置参数较多,不易掌握,但配置参数的设置对系统性能影响很大。

因此,采用统一的现场总线标准对现场总线技术的发展具有重要意义。 为了加快新一代控制系统的开发和应用,各大厂商都在寻找其他途径来解决扩展性和兼容性问题。 结构简单、成本低、易于安装、传输速率高、功耗低、软硬件资源丰富、兼容性好、灵活性高、易于与Internet,并支持几乎所有流行的网络协议。 3.以太网和TCP/IP

以太网(Ethernet)起源于1973年施乐公司建立的网络系统,是以基带同轴电缆为传输介质,采用CSMA/CD协议的总线型局域网。 施乐打造的以太网非常成功。 1980年,施乐、DEC和英特尔共同起草了以太网标准。 1985年,IEEE802委员会将以太网吸收为IEEE802.3标准,并对其进行了修订。 以太网标准与IEEE802.3标准的主要区别在于,以太网标准只描述了使用50欧姆同轴电缆、数据传输速率为10Mbps的总线局域网,以太网标准包括了ISO的所有内容数据链路层和物理层;IEEE802.3标准描述了所有使用CSMA/CD协议运行在各种介质上,数据传输速率从1Mbps到10Mbps的局域网,IEEE802.3标准只定义了数据链路层ISO参考模型中的A子层由媒体访问控制MAC子层和物理层组成,而数据链路层的逻辑链路控制LLC子层由IEEE802.2描述。 规范规定使用载波侦听多路访问/冲突(collision)检测CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect),信号以10Mbps的速率在同轴电缆上传输。

根据ISO的OSI七层结构,以太网标准只定义了数据链路层和物理层作为一个完整的通信系统。 以太网成为数据链路和物理层协议后,与TCP/IP紧紧地绑定在一起。 由于互联网后来采用了以太网和TCP/IP协议,人们甚至把超文本连接HTTP等TCP/IP协议组放在一起,称为以太网技术; TCP/IP的简单性和实用性已被广大用户所接受。 不仅在办公自动化领域,在各企业的管理网络和监控层网络中,以太网技术也得到广泛应用,并开始向现场设备层网络延伸。 今天,TCP/IP协议已经成为最流行的Internet协议,并从一个简单的TCP/IP协议发展成为一系列基于IP的TCP/IP协议簇。

在TCP协议中,网络层的核心协议是IP(Internet Protocol),它还提供了ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等协议。 该层的主要功能包括处理来自传输层的数据包传输请求(即组装IP数据报并发送到网络接口)、处理输入数据报、转发数据报或从数据报中提取数据包、处理错误和控制消息(包括处理路由、流量控制、拥塞控制等)。

传输层的作用是提供应用程序之间(端到端)的通信服务。 它提供了两种协议:用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)和传输控制协议TCP(Transfer Control Protocol)。 UDP 负责提供高效的服务。 它用于传输少量消息,几乎不提供可靠性措施。 使用UDP的应用需要自己完成可靠性操作; TCP负责提供高可靠的数据传输服务,主要用于传输大量数据。 报文,保证数据传输的可靠性。

2、以太网的优点

以太网支持的传输介质有粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等,其最大优点是简单、经济、实用,易于人们掌握,因此深受用户欢迎. 与现场总线相比,以太网具有以下优点:

(1)良好的兼容性和广泛的技术支持

基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络,适用于解决控制系统中不同厂家设备的兼容性和互操作性。 不同厂商的设备可以轻松互联,可以实现办公自动化网络和工业控制网络。 信息无缝集成。 以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,得到了广泛的技术支持。 几乎所有的编程语言都支持以太网应用开发,如VB、Java、VC等。 使用以太网作为现场总线可以保证有多种开发工具和开发环境可供选择。 在工业控制网络中采用以太网,可以防止其发展脱离主流的计算机网络技术,使工业控制网络与信息网络技术相互促进,共同发展,保证技术的可持续发展。

(2) 易于与互联网连接

以太网支持几乎所有流行的网络协议,可以在任何地方通过互联网监控企业,可以方便地访问远程系统,共享/访问多个数据库。

(3) 低成本

使用以太网可以降低成本,包括技术人员的培训成本、维护成本和初始投资。 由于以太网应用最广泛,因此得到硬件开发商和制造商的广泛支持。 拥有丰富的软硬件资源,多种硬件产品供用户选择,硬件价格相对较低。 目前,以太网网卡的价格仅为现场总线的十分之一,而且随着集成电路技术的发展,其价格还将进一步下降。 人们对以太网的设计和应用有着丰富的经验,对其技术也非常熟悉。 大量的软件资源和设计经验可显着降低系统的开发和培训成本,无需单独进行技术升级的研发投入,可显着降低系统的整体成本,大大加快开发速度和系统推广。

(四)可持续发展潜力巨大

由于以太网的广泛应用,其发展受到了广泛的重视,吸引了大量的技术投资。 而且,在信息瞬息万变的时代,企业的生存和发展将在很大程度上依赖于快速有效的沟通管理网络。 持续发展。

(5) 通讯速率高

目前以太网的通信速率为10M或100M、1000M,10G快速以太网也开始应用,以太网技术也逐渐成熟,其速率比目前的现场总线快很多。 以太网可以满足更高的带宽要求。 .

3、以太网应用于控制时出现的问题

但是,传统的以太网是商用网络,将其应用到工业控制中还存在一些问题,主要有以下几个方面。

(1)存在实时性差和不确定性的问题

传统以太网采用CSMA/CD的介质访问控制机制,各节点采用BEB(Binary Exponential Back-off)算法处理冲突,存在排队时延不确定的缺陷,各网络节点必须获取信息包通过竞争。 发送的权利。 节点在通信过程中监听信道,只有发现信道空闲时才能发送信息; 如果频道繁忙,他们需要等待。 信息开始发送后,需要检查是否有碰撞。 如果信息发生冲突,则需要退出并重新发送。 因此,无法保证确定的排队时延和通信响应的确定性,不能满足工业过程控制的实时性要求。 即使在通信繁忙时,也存在信息丢失的危险,这限制了它在工业控制中的应用。

(2)工业可靠性问题

以太网以办公自动化为目标而设计,没有考虑工业现场环境的适应性需求,如超高或超低工作温度、大型电机或其他大功率设备产生的强电磁噪声影响信道传输特性等。 如果在车间底层应用以太网,则必须解决可靠性问题。

(3) 以太网不提供电源,必须有额外的电源线

工业现场控制网络不仅可以传输通信信息,还可以为现场设备传输工作提供动力。 这主要是由于电缆敷设和维护方便。 同时,总线供电可以减少线缆,降低布线成本。

(4) 以太网不是本质安全系统

(5) 安全问题

由于以太网采用TCP/IP协议,因此可能受到病毒、黑客非法入侵和非法操作等网络安全威胁。 未经授权的用户可能进入网络的控制层或管理层,造成安全漏洞。 对此,一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制来加强网络安全管理,但工业自动化控制网络安全问题的解决方案仍需认真研究。

(6) 现有控制网络与新建以太网控制网络的融合

在上述问题中,实时性、确定性和可靠性问题是阻碍以太网长期进入工业控制领域的主要障碍。 为了解决这个问题,人们提出了工业以太网的解决方案。 5. 工业以太网

4.需求

一般来说,工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。 工业以太网在技术上与商业以太网(IEEE802.3 标准)兼容。 工业以太网与标准以太网的异同可以用工业控制计算机和商用计算机来类比。 为满足工业现场的需求,以太网需要满足以下要求。

(一)适应性

包括机械特性(抗振动、抗冲击)、环境特性(工作温度要求为-40~+85℃,且耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容EMC应符合EN50081-2、EN50082 -2 标准。

(2) 可靠性

由于工控现场环境恶劣,对工业以太网产品的可靠性提出了更高的要求。

(3)本质安全和安全防爆技术

对于在存在易燃、易爆和有毒气体的工业现场使用的智能设备和通信设备,必须采取一定的防爆措施,以保证工业现场的安全生产。 现场设备的防爆技术有隔爆型(如增安型、气密型、灌封型等)和本质安全型。 与防爆技术相比,本质安全技术采用抑制点火源能量作为防爆方式,可带来以下技术经济优势:结构简单、体积小、重量轻、成本低; 它可以在带电条件下进行维护和更换; 安全可靠; 广泛的应用范围。 实现本质安全的关键技术是低功耗技术和本质安全防爆技术。 由于目前以太网收发器本身的功耗较大,一般在60~70mA(5V工作电源),低功耗现场设备(如工业现场以太网交换机、传输介质、基于以太网的变压器)发送器和执行器等)设计难以实现。 因此,在目前的技术条件下,对以太网系统采取隔爆、防爆措施更具可行性。 另一方面,对于没有严格本质安全要求的非危险场合,可以不考虑复杂的防爆措施。

(4) 安装方便,适应工业环境的安装要求,如DIN导轨安装。

五、提高以太网实用性的方法

随着相关技术的发展,以太网的发展也有了本质的飞跃,借助相关技术,以太网在工业控制中的实用性可以从整体上得到提升。

5.1 使用交换技术

传统以太网采用共享集线器,其结构和功能只是一个多端口的物理层中继器。 连接到共享集线器的所有站点共享带宽并遵循 CSMA/CD 协议发送和接收数据。 交换式集线器可以看作是一个受控的多端口交换矩阵,各个端口之间的信息流是隔离的,在交换设备的源端和目标端之间提供直接快速的点对点连接。 不同的端口可以组成多个数据通道,端口之间的数据输入输出不再受CSMA/CD限制。 随着现代交换机技术的发展,交换机端口之间的传输速率大于整个设备层以太网端口之间传输速率的总和,从而降低了以太网的冲突率,为冲突数据提供缓冲。 当然交换机的工作模式必须是存储转发模式,这样系统中只有点对点的连接,不会发生碰撞。 多个交换机将整个以太网分解成许多独立的区域。 以太网数据冲突只存在于各自的冲突域中。 不同域之间没有冲突,可以大大增加网络上各个站点的带宽,从而提高交换率。 以太网网络性能和确定性。

交换式以太网不改变原有的以太网协议,可以直接使用普通以太网卡,大大降低了组网成本,从根本上解决了以太网通信传输时延的不确定性问题。 研究表明,当通信负载低于10%时,以太网碰撞引起的传输延迟几乎可以忽略不计。 在工业控制网络中,传输的信息多为周期性测控数据,报文小,信息量小,传输信息长度小。 这些信息包括生产设备运行参数的测量值、控制量、开关和阀门的工作位置、报警状态、设备的资源和维护信息、系统配置、参数修改、零点和跨度调整信息等。它的长度一般比较小,通常只有几个比特到几十个字节,对网络传输的吞吐量要求不高。 研究表明,在典型的6000个I/O的工业控制系统中,通信负载约为10M以太网的5%,即使有操作员信息传输(如设置值更改、用户应用程序下载等), 10M以太网的负载也可以保持在10%以下。

5.2 使用高速以太网

随着网络技术的飞速发展,高速以太网(100M)和千兆以太网产品和国际标准相继产生,10G以太网产品也相继问世。 通过提高通信速度,结合交换技术,可以大大提高通信网络的整体性能。

5.3 采用全双工通信方式

交换以太网中的一个端口是一个冲突域,在半双工条件下不能同时发送和接收数据。 如果采用全双工方式,同一条数据链路中的两个站点可以在发送数据的同时接收数据,解决了这种情况下等待半双工的问题,理论上可以将传输速率提高一倍。 全双工通信技术可以使设备端口之间的两对双绞线(或两根光纤)同时接收和发送消息帧,从而不再受CSMA/CD的约束。 这样,任何节点发送消息帧都不会再发生冲突,冲突域也就不复存在了。 对于紧急信息,它可以基于 IEEE802.3p

5.4 使用虚拟局域网技术

虚拟局域网(VLAN)的出现打破了传统网络的许多固有观念,使网络结构更加灵活方便。 实际上,VLAN是一个不受地理位置限制的广播域。 可以根据部门职能、对象组、应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。 局域网交换机的每个端口只能标记一个VLAN,同一VLAN内的所有站点都有一个广播域,不同VLAN之间的广播信息相互隔离,从而避免了广播风暴的产生。 在工业过程控制中,控制层单元必须在实时数据传输和安全性方面区别于普通单元。 在工业以太网开放平台上采用虚拟局域网进行逻辑划分,区分不同的功能层和不同的部门。 开放,从而达到提高网络整体安全性、简化网络管理的目的。 虚拟局域网的划分一般有三种方式:静态端口分配、动态虚拟网络和多虚拟网口配置。 静态端口分配是指网管人员使用网管软件或设备交换机的端口,使其直接隶属于某个虚拟网络,除非网管人员重新设置,否则这些端口将保持这种从属关系; 虚拟网络的端口可以借助智能管理软件自动确定其从属关系; 多虚拟网口配置支持一个用户或一个端口同时访问多个虚拟网络,这样一台控制层计算机可以配置为多个部门同时访问,也可以访问多个部门的资源同时使用多个虚拟网络。

5.5 引入服务质量 (QoS)

IP QoS是指IP的服务质量,即IP数据流通过网络的性能。 其目的是为用户提供端到端的服务质量保证。 QoS 有一组指标,包括服务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。 QoS 网络可以区分实时和非实时数据。 利用工业以太网中的QoS技术,可以从控制层识别出优先级较高的数据,并优先处理。 在响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、可靠性、传输故障率、优先级等方面,工业以太网能够满足工业自动化的实时控制要求。 此外,QoS网络还可以防止网络的非法使用,例如非法访问现场控制单元和控制层监控单元的终端。

此外,大公司支持的工业以太网应用标准和相关协议也有所改进。 将工业以太网引入底层网络,不仅方便了现场层、控制层、管理层的纵向集成,也降低了不同厂家设备的横向集成成本。 以太网向底层网络的扩展是必然的。 因此,知名厂商纷纷支持工业以太网,制定不同的工业应用标准。 罗克韦尔和欧姆龙等公司支持以太网/IP。 IP是指工业协议。 它提供了Producer/Consumer模型,将ControlNet和Devicenet的控制和信息协议的应用层移植到了TCP.FF上。 HSE提供的高速以太网协议Publisher/orderer、object等模型主要应用于工程控制领域,得到Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。 施耐德发布的Modbus/TCP协议,将Modbus协议绑定在TCP协议之上,实现简单,可以实现互联互通。

为了提高实时性,以太网协议也做了一些改进。 完全基于软件的协议RETHER(Real Time Ethernet)可以在不改变以太网现有硬件的情况下保证实时性。 采用混合运行方式,可以减少网络中非实时数据传输对性能的影响; 非竞争准入控制机制和有效的令牌传递方案可以防止由于节点故障导致的令牌丢失。 遵守 RETHER 协议的网络以两种模式运行,CSMA 和 RETHER。 在实时通话过程中,网络会透明切换到RETHER模式,实时通话结束后,再回到CSMA模式。 还有一种称为RTCC(Real Time Communication Control)的以太网协议,它为分布式实时应用提供了良好的基础。 RTCC是在以太网之上增加的一层协议,可以提供高速、可靠、实时的通信。 它不需要改变现有的硬件设备,使用命令/响应复用和总线表两种新颖的机制来分配通道。 所有节点在RTCC协议中分为总线控制器(BC)和远程终端(RT)。 只有一篇BC,其余都是RT。 信息传输的发起和管理均由BC承担,接入仲裁过程和传输控制过程均由BC实现。 通过两个过程的整合和同步,不仅节点的发送时间是确定的,而且节点使用总线的时间也是可控的。 在 10Mbps 以太网上的实验表明 RTCC 具有令人满意的确定性。 第三种提高实时性的方法是流量平衡,即在UDP或TCP/IP与以太网MAC之间加一个流量平衡器。 作为它们之间的接口,它安装在每个网络节点上。 在本节点优先处理实时数据包,消除实时信息与非实时信息的竞争,平衡非实时信息,减少与其他节点实时信息的冲突节点。 为了保证非实时信息的吞吐量,流量均衡器还可以根据网络的负载情况调整数据流产生速率。 这种方法不需要对现有的标准以太网MAC协议和TCP或UDP/IP做任何改动。

因此,针对以太网排队时延的不确定性,通过采用适当的流量控制、交换技术、全双工通信技术、信息优先级等技术,以及容错技术、系统设计技术,提高实时性。和冗余结构得到改进,以太网完全可以用于工业控制网络。 事实上,在20世纪90年代中后期,国内外各大工控企业都在其控制系统中采用了以太网,相继推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器以及基于以太网的现场仪表和显示仪表。 和其他产品。

随着网络和信息技术的成熟,以太网和TCP/IP协议作为工业通信和自动化系统中最重要的通信接口和手段,向网络化、标准化、开放性发展将成为各种控制的重大课题系统。 技术发展的主要趋势。 以太网作为应用最广泛、发展最快的局域网技术,在工业自动化和过程控制领域取得了非凡的发展。 同时,基于IP的全流程集成寻址,为工业生产提供了标准、共享、高速的信息通道解决方案,也将对控制系统产生深远的影响。