基于交換式工業(yè)以太網研究
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監(jiān)控單元完成對整個控制過程的監(jiān)控，參數(shù)設定等功能，如果要求監(jiān)控工作站具有多媒體功能，可接入25Mbps端口。
現(xiàn)場設備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制網絡、PLC、嵌入式控制系統(tǒng)等。一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通過以太網卡接入網絡交換機或交換式集線器；現(xiàn)場總線控制網絡通過數(shù)據(jù)網關與以太網互聯(lián)；PLC的接入有兩種情況，帶有以太網卡的PLC可通過以太網卡接入交換機，普通不帶以太網卡的PLC要通過485／232轉換及工業(yè)控制計算機接入網絡交換機；嵌入式控制系統(tǒng)可通過嵌入式控制器自帶的以太網卡接入網絡交換機。
當網絡規(guī)模較大時，可采用分段結構，連成更大的網絡，每一個交換機及控制設備構成相對獨立的控制子網。若干個控制子網互聯(lián)組成規(guī)模較大的控制網絡。
該控制網絡系統(tǒng)具有以下特點：
（1）分布式對等功能單元
控制系統(tǒng)按功能分為管理層、控制層兩層。管理層與傳統(tǒng)工業(yè)網絡的管理層無重大區(qū)別?？刂茖雍喜⒘嗽械谋O(jiān)控層和設備層，取而代之的是根據(jù)功能和部門劃分的若干“單元”，各單元之間關系對等，單元內部是相對獨立的實時控制區(qū)域?？刂乒δ芟路诺礁鳜F(xiàn)場控制單元的現(xiàn)場智能儀表和設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性。
（2）分層式網絡結構
整個網絡采用結構化設計，分為核心層、分布層二層。
核心層：為數(shù)據(jù)交換巾心，分布層設備之間的通信，其數(shù)據(jù)都通過該層進行高速交換。核心交換設備為三層高速交換機；創(chuàng)建和維護網絡路山表，實現(xiàn)不同功能單元或虛擬局域網子網之間的路由；實施訪問控制機制。
分布層：采用二層交換機實現(xiàn)各功能單元內部的數(shù)據(jù)交換，交換機與現(xiàn)場設備或下游交換機采用點－點／全雙工方式連接，使單元內部主要設備都能獨享帶寬，從而保證系統(tǒng)通信實時性。
與扁平式網絡相比，分層式網絡結構具有很大優(yōu)勢：（a）能有效分割網絡，成為較小的廣播域和沖突域，為終端設備提供更大的帶寬。（b）分層式結構提高了網絡的擴展性，當加入新的功能單元時，不會降低網絡的性能。（c）有利于故障排除，并限制故障影響。（d）使各功能單元成為對等關系，組成分布式通信系統(tǒng)。
（3）更高的開放性
基于Ethernet-TCP／IP的工業(yè)以太網，管理層和控制層使用相同的通信協(xié)議。本質上，管理單元與現(xiàn)場控制單元及監(jiān)控單元可自由通訊，使上下層之間實現(xiàn)“無縫”集成；如果必要，管理層的決策單元可以直接獲得現(xiàn)場控制單元的數(shù)據(jù)，有利于提高綜合自動化決策速度；與此同時，管理層與控制層之間建立必要的訪問控制機制，保護現(xiàn)場控制單元和敏感部門的安全和通信的實時性。
由于采用得到廣泛應用的開放標準（協(xié)議），各廠家的設備只要采用相同的協(xié)議，或通過智能轉換器，就能方便地集成在同一個系統(tǒng)中，提高了互連性和互可操作性，從而消除了不同自動化系統(tǒng)之間的“信息孤島”。
（4）高傳輸速率
一般來說，骨干鏈路采用100Mbps傳輸率，設備及終端接入鏈路使用10／100Mbps傳輸率；另外，分層式網絡結構可將功能單元的通信數(shù)據(jù)盡量限制在本地，節(jié)約了骨干鏈路帶寬，也減少了單元之間的廣播，提高了終端的帶寬。
4、交換式以太控制網絡應用于工業(yè)現(xiàn)場的關鍵技術
· 確保通信實時性。長期以來，以太網通信響應的不確定性是它在工業(yè)現(xiàn)場設備中應用的致命弱點和主要障礙之一，而導致不確定性的主要原因是以太網訪問傳輸媒體的方法，這種方法容易產生“捕獲效應”。交換式以太控制網絡技術不但極大地提高了信道地利用率，更重要的是它能夠屏蔽傳統(tǒng)共享式以太網的時延不確定性，為它應用于工業(yè)控制清除了主要障礙。然而，當交換式以太控制網絡規(guī)模擴大后，又出現(xiàn)了環(huán)路和廣播風暴的問題。
· 環(huán)路和廣播風暴的解決方案。工業(yè)控制系統(tǒng)的網絡結構日趨復雜，很難保證其拓撲結構中不包含閉合環(huán)路。但可以采用動態(tài)生成樹算法計算交換機的路由，從而避免環(huán)路對數(shù)據(jù)幀轉發(fā)路由造成的影響，同時增加了交換式以太控制網絡的健壯性和組網的方便性。
· 對網絡安全性的支持。目前交換式以太控制網絡已經把傳統(tǒng)的3層網絡系統(tǒng)（即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設備層）合成一體，同時引入了一系列的網絡安全問題。除了引進防火墻機制外，網絡小身對安全提供兩方面的支持：網絡設備訪問控制和數(shù)據(jù)訪問控制。
· 總線供電。所謂總線供電或總線饋電，是指連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設備提供工作電源。采用總線供電可以減少網絡線纜，降低安裝復雜性與費用，提高網絡和系統(tǒng)的易維護性。特別是在惡劣與危險的場合，總線供電具有十分重要的意義。由于以太網以前主要用于商業(yè)計算機通信，一般的設備或工作站（如計算機）本身已具有電源供電，沒有總線供電的要求，因此傳輸媒體只用于傳輸信息。
· 互操作性?；ゲ僮餍允侵高B接到同一網絡上的不同廠家的設備之間通過同一的應用層協(xié)議進行通信與互用，性能類似的設備可以實現(xiàn)互換。作為開放系統(tǒng)特點之一，互操作性向用戶保證了來自不同廠商的設備可以相互通信，并且可以在多廠商產品的集成環(huán)境中共同工作。這一方面提高了系統(tǒng)的質里，另一方面為用戶提供了更大市場選擇機會?；タ刹僮餍允菦Q定某一通信技術能否被廣大自動化設備制造商和用戶接受，并進行大面積應用的關鍵。
· 網絡生存性。所謂網絡生存性，是指以太網應用于工業(yè)現(xiàn)場控制時，必須具備較強的網絡可用性。任何一個系統(tǒng)組件發(fā)生故障，不管它是否是硬件，都會導致操作系統(tǒng)、網絡、控制器和應用程序以致于整個系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網絡生存能力很弱。因此，為了使網絡正常運行時間最大化，需要以可靠的技術來保證在網絡維護和改進時，系統(tǒng)不發(fā)生中斷。
· 本質安全與安全防爆技術。在生產過程中，很多工業(yè)現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆與有毒等場合。對應用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆技術措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全。
現(xiàn)場設備的防爆技術包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型。與隔離型技術相比，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經濟上的優(yōu)點：結構簡單，體積小，重量輕，造價低；可在帶電情況下進行維護和更換；安全可靠性高；適用范圍廣。實現(xiàn)本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。
以太網系統(tǒng)的本質安全包括工業(yè)現(xiàn)場以太網交換機、傳輸媒體以及基于以太網的變送器和執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備。由于目前以太網收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在60～70mA（5V工作電源），因此相對而言，基于以太網的低功耗現(xiàn)場設備和交換機的設計比較困難。
· 遠距離傳輸。在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產裝置一般都比較復雜，各種測量和控制儀表的空間分布比較分散，彼此間的距離比較遠，有時設備與設備之間的距離長達數(shù)公里。對于這種情況，如遵照傳輸?shù)姆椒ㄔO計以太網，使用10Base-T雙絞線就顯得遠遠不夠，而使用10Base-2或10Base-5同軸電纜則不能進行全雙工通信，而且布線成本也比較高。同樣，如果在現(xiàn)場都采用光纖傳輸介質，布線成本可能比較高，但隨著互聯(lián)網和以太網技術的大范圍應用，光纖成本肯定會大大降低。
5、結束語
以太網和Internet技術的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)企業(yè)的網絡架構。毫無疑問，以太網在工業(yè)自動化網絡方面扮演著一個非常重要的角色。根據(jù)對三大汽車制造商的最新研究結果，以太網至少可以適用于70％的現(xiàn)場網絡，這意味著工業(yè)以太網有著非常廣泛的前景。
控制技術已從集中控制系統(tǒng)發(fā)展到集散控制系統(tǒng)。目前正向第三代控制系統(tǒng)－分布式智能（Distributed Intelligence）邁進。由于交換式以太控制網絡具有的高帶寬和延遲確定性雙重優(yōu)點，為實現(xiàn)分布式智能提供了通信網絡平臺，引發(fā)了自動化體系結構的一場革命。這表明分布式智能是自動化必然的未來，而交換式以太控制網絡技術功不可沒。
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