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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(shù)字通訊技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展推動了自動化技術(shù)的進步，尤其是近年來新興的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促進了集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，現(xiàn)代控制多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是DCS控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文介紹了一般控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的常用的管理網(wǎng)、系統(tǒng)網(wǎng)、控制網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；系統(tǒng)網(wǎng)；集散控制系統(tǒng)
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(dāng)時，施樂公司的Bob Metcalfe在一張餐巾紙上勾畫出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現(xiàn)在還保存在施樂公司的Palo Alto研究中心。最初的Ethernet標(biāo)準(zhǔn)通訊速率是2.94Mbps。在施樂公司和Intel公司、Digital Equipment公司合作開發(fā)了DIX2.0標(biāo)準(zhǔn)后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時期，國際電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）指定了Ethernet的CSMA/CD 802.3標(biāo)準(zhǔn)。1983年CSMA/CD 802.3標(biāo)準(zhǔn)正式確定并被采用。近幾年來，隨著計算機和網(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逐漸的進入工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，目前在工業(yè)領(lǐng)域有超過100種通訊協(xié)議被應(yīng)用于各種各樣的工業(yè)計算機平臺之間的數(shù)據(jù)交換，從智能傳感器到參域的監(jiān)控系統(tǒng)都在應(yīng)用Ethernet。Ethernet是目前可用的最常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因而控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流，以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域?qū)玫搅嗽絹碓蕉嗟膽?yīng)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(yīng)用到了各個領(lǐng)域，尤其在集散控制系統(tǒng)中已滲透到了管理層、系統(tǒng)層、控制層和設(shè)備層[2]，很多的DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般都包含這四層。以太網(wǎng)之所以給自動化市場帶來風(fēng)暴式的革命，主要有3個原因：低成本的刺激和速度的提高；現(xiàn)代企業(yè)對實時生產(chǎn)信息有越來越多的要求；以太網(wǎng)的開放性和兼容性。
隨著通訊技術(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)界事實上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在不同廠商的不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應(yīng)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(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從管理層向下延伸到系統(tǒng)層、控制層和設(shè)備層，當(dāng)集散控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后，集散控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場，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也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結(jié)合起來，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟全球化的要求。
2 集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)
一般來講，現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為4層：管理網(wǎng)、系統(tǒng)網(wǎng)、控制網(wǎng)、設(shè)備層網(wǎng)，如圖1所示。
圖1 集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)圖
2.1 管理網(wǎng)
管理網(wǎng)MNet實現(xiàn)不同單元裝置或生產(chǎn)車間之間的協(xié)調(diào)控制、數(shù)據(jù)通訊；企業(yè)內(nèi)多組裝置或生產(chǎn)過程的管理數(shù)據(jù)通訊；大型工業(yè)過程各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制與調(diào)度管理；通訊介質(zhì)一般采用光纖、同軸電纜、雙絞線。其功能如下：
● 可從運行有數(shù)據(jù)服務(wù)軟件的操作站（或?qū)Ｓ梅?wù)器）上獲取系統(tǒng)過程參數(shù)和系統(tǒng)運行信息，同時向下傳送上層管理計算機的調(diào)度指令和生產(chǎn)指導(dǎo)信息；
● 企業(yè)內(nèi)多組裝置或生產(chǎn)過程的管理數(shù)據(jù)通訊；
● 大型工業(yè)過程各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制與調(diào)度管理；
● 工廠級的綜合管理、調(diào)度、統(tǒng)計和決策等。
2.2 系統(tǒng)網(wǎng)
系統(tǒng)網(wǎng)SNet是連接工程師站、操作站、控制站等節(jié)點的實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)場控制站傳遞現(xiàn)場I/O采集數(shù)據(jù)至操作站；各現(xiàn)場控制站間的數(shù)據(jù)傳遞，以滿足大范圍協(xié)調(diào)控制的需要；操作站和工程師站向現(xiàn)場控制站傳遞控制指令或組態(tài)數(shù)據(jù)；保持各操作站之間數(shù)據(jù)的一致性[5]。系統(tǒng)網(wǎng)一般采用符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)；其通訊速率10M/100Mbps，傳輸介質(zhì)為5類非屏蔽雙絞線。系統(tǒng)網(wǎng)采用可靠性高的冗余結(jié)構(gòu)，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(tǒng)通訊。系統(tǒng)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)為星型和菊花鏈型，在一定區(qū)域范圍的各節(jié)點都通過雙絞線連到一個以太網(wǎng)交換機上，各區(qū)域又通過雙絞線或光纖把多個光端機/交換機互連在一起。系統(tǒng)網(wǎng)的最大通訊距離與交換機/光端機的個數(shù)和使用的通訊介質(zhì)有關(guān)。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要完成下面的基本功能：
● 現(xiàn)場控制站傳遞現(xiàn)場I/O采集數(shù)據(jù)至操作站；
● 各現(xiàn)場控制站間的數(shù)據(jù)傳遞，以滿足大范圍協(xié)調(diào)控制的需要；
● 操作站和工程師站向現(xiàn)場控制站傳遞控制指令或組態(tài)數(shù)據(jù)；
● 保持各操作站之間數(shù)據(jù)的一致性。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)網(wǎng)的通訊介質(zhì)、交換設(shè)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網(wǎng)工業(yè)系統(tǒng)一般分別稱之為A網(wǎng)和B網(wǎng)。發(fā)送數(shù)據(jù)的站點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，無論兩條線路均正常工作還是僅有一條線路正常工作，均把數(shù)據(jù)包向兩個線路都發(fā)送，接收站點則根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)包的時間順序或質(zhì)量標(biāo)記僅選取冗余的兩個數(shù)據(jù)包中的一個。這樣不僅可避免網(wǎng)絡(luò)線路交錯出現(xiàn)故障（如圖3所示）時無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)的情況，而且在不正常的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時，系統(tǒng)幾乎不需要恢復(fù)時間就可重新正常通訊。
圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNet交錯故障示意圖
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的過程實時信息的傳遞是完全基于UDP/IP協(xié)議的。UDP協(xié)議是最簡單的、無連接的傳輸協(xié)議，在通訊過程中，UDP協(xié)議不但減少了因建立連接和撤銷連接所需的巨大開銷，而且不進行數(shù)據(jù)的確認與重傳，從而極大的提高了傳輸速率。此外系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上，大量使用了組播和廣播技術(shù)，從而進一步大大的減輕了網(wǎng)絡(luò)通訊負擔(dān)。對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序還提供流量控制、差錯控制、自動重發(fā)、報文傳輸時間順序檢查、報文質(zhì)量標(biāo)記檢查等確保數(shù)據(jù)可靠的功能。因此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)充分的保證了過程信息能夠高效、實時、可靠的傳遞，并且能夠保證基于工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不會因通訊負擔(dān)過重而癱瘓。
2.3 控制網(wǎng)
控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN（Control Area Network）現(xiàn)場總線網(wǎng)，符合ISO11898 CAN Specification 2.0B標(biāo)準(zhǔn)，是一種按優(yōu)先級搶占式的總線網(wǎng)絡(luò)，它的數(shù)據(jù)通訊具有較高的可靠性、實時性與靈活性，CAN總線的通訊距離長，速遞快，是一種價格低廉，適用于在多種工業(yè)環(huán)境下進行通信的總線，它具有以下特點[6]：
● 多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需地址等節(jié)點信息，可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)[7]；
● 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸；
● 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況；
● 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”；
● 節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，報文標(biāo)識符可達2032種（CANBUS2.0A），而擴展標(biāo)準(zhǔn)（CANBUS2.0B）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制；
● 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，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(shù)據(jù)出錯率極低；
● 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響；
● 通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活[8]。
控制網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場控制站內(nèi)部使用的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)場控制站內(nèi)部的各個智能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(nèi)某集散控制系統(tǒng)廠家DCS的CAN總線連接圖，現(xiàn)場控制站的控制網(wǎng)絡(luò)上接有4個機籠，左邊兩個是本地機籠，右邊兩個是遠程IO機籠，通過光纖與本地IO機籠連接。每個機籠內(nèi)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(jié)構(gòu)圖
2.4設(shè)備層
設(shè)備層又叫靈巧總線SmartBus是IO模塊內(nèi)部連接I/O模塊與底板控制器的實時控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)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：
● 支持點對點發(fā)送和廣播發(fā)送功能；
● 節(jié)點錯誤嚴重時不會影響其他節(jié)點正常工作；
● 傳輸時間短，不易干擾，具有極好的檢錯效果；
● 容易實現(xiàn)信號和信號之間，信號和主機之間的隔離；
● 容易實現(xiàn)模塊級功能擴展。
3 結(jié)論
從上述案例論述中，我們可以得出以下簡單的結(jié)論：工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢應(yīng)該是分布式、開放化、立體化和信息化。分布式的結(jié)構(gòu)是一種能確保網(wǎng)絡(luò)中每個智能的模塊能夠獨立的工作的網(wǎng)絡(luò)，達到系統(tǒng)危險分散的概念；開放化則是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有與外界的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的連接；立體化則使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸分工更加細化；信息化則是使系統(tǒng)信息能夠進行綜合處理能力，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化和管控一體化。基于以太網(wǎng)技術(shù)的集散控制系統(tǒng)具有低成本和開放性，可以實現(xiàn)遠程控制，易于與管理結(jié)合，實現(xiàn)管控一體化。
參考文獻：
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作者簡介: 黃福彥（1976-），男，山東菏澤人，桂林工學(xué)院研究生，主要研究方向為過程控制與參數(shù)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(tǒng).
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號