计算机网络技术在工业控制中的应用

1、计算机网络技术在工业控制中的应用吴云龙 B07223 20074022315摘要：计算机网络技术的迅猛发展使人类社会各个领域的传统发展模式发生了深刻的变革， 对工业控制的发展也产生了深远的影响。对控制系统的要求发生了很大的变化.本文沿着现场总线、Ethernet工业控制网络和基于Internet的工业控制网络的发展脉络，着重分析了各种技术的特点与功能。通过对工业控制的讨论，阐明了工业控制正在向智能化、网络化和 集成化方向发展的特点，说明了计算机网络的体系结构、网络协议和组网技术对工业控制的渗透和影响。关键词：现场总线，Ethernet , InternetThe computer networ

2、k technology application in industrialcontrolWuYunLong B07223 20074022315Abstract: the rapid development of computer network technology to all areas of human society, traditional development mode changed, for the development of industrial control exerted far-reaching influence. The requirements of c

3、ontrol system， great changes took place in the paper. Ethernet along the fieldbus， industrial control network and Internet based on the development of the industrial control network, analyzed the characteristics and functions of various techniques and Ethernet industrial control network structure an

4、d industrial control network based on the Internet. Through the discussion of industrial control, expounds the indust rial control network and intelligent, are integrated development direction. The characteristics of computer network, the system structure, network protocol and networking technology

5、of industrial control and influence.Keywords: Ethernet, fieldbus , Internet1、序言如何把分散的相互独立的设备互通互联，在自动化的基础上实现管理和控制的一体化， 一直以来就是工业自动化及工业控制的主要课题。随着电子技术和信息技术的不断发展，工业领域的自动化控制技术也在不断进步实现了从现场总线到Ethernet再到Internet这样一个发展轨迹现场总线技术的出现极大地推动了面向设备的自动化系统的进步，而与此同时， 现场总线的开放性是不彻底的，多种现场总线并存成为工业控制中的难解之题，随后诞生的Ethernet技术不仅是在

6、办公管理领域大展身手的计算机网络技术，同时也在工业控制领域 获得成功的应用伴随计算机技术、网络技术、信息技术、现代通信技术的高速发展，企业和管理者对 控制系统的要求也发生了很大变化。信息化条件下的控制系统要摆脱现场控制管理的角色限 制，成为整个企业现代化、自动化、信息化中的一环，自开放性不足到完全开放，由小局域 控制到远程控制，由设备控制到系统管理、Internet技术在这一变迁中成为唯一的也是最经济最适用的新技术手段和技术载体2现场总线2.1现场总线的实质和优点现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、 串形、多结点的数字通信技术3。不同的机构和不同的人可

7、能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认 现场总线的本质体现在以下六个方面：现场通信网络用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。现场设备互联依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。互操作性用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而 可以自由地集成 FCS分散功能块FCS废弃了 DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现 场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表

8、，与其配套的还有安全栅。开放式互联网络现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可 以实现网络数据库的共享。从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而 这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低， 易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而 且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状

9、态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分 散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS勺巨大进步。也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越 性：首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务，不再需要单独的控制器、计算单元等，节省了硬件投资和使用面积；FCS的接线较为简单，而且一条传输线可以挂接多了设备，大大节约了安装费用； 由于现场控制设备往往具有自诊断功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作；同时，由于用户拥有高度的系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品；整

10、体系统的可靠性和准确性也大为提高。这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利润的目的。 2.2现场总线的问题在工程应用方面，工程投资比较大。虽然各种现场总线都把节省费用当成自己的主要 优点，但在实际应用中现场总线的投资比传统控制系统要大。一是试用的系统规模太小；二是试用的系统并不分散或者是利用原有布线的改造项目，因此无法充分发挥现场总线节省电缆的优势。其次，调试和运行维护比较难。由于现阶段熟练掌握现场总线的应用技术和开发技术 的人才少，企业在调试和运行时经常会遇到困难。因此，企业在选择系统集成商时，应选择技术力量比较强，比较有经验的单位。再者，与传统控制系统相比优点不明显

11、。以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与 传统系统相比，其优点不仅在于控制方面，更多的在于自诊断、自校正等自动管理方面。 但是，目前国内用的系统大多数太小，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势。在技术方面，当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果，用户希望这时系统的 效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证；现有的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省电缆优点的发挥；系统组态参数过分复杂，不容易掌握。 3、Ethernet 3.1以太网以太网最早 由Xerox (施乐)公司创建，在1980年，DE

12、G Intel 和Xerox三家公司联合开发成为一个标准，以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10 M b i t / S )、快速以太网(1 OOMbi t/s )和10G(10 Gbit/s )以太网，采用的是C制 A/CD访问控制法，它们都符 合I EEE802.33.2与现场总线相比，以太网具有以下几个方面的优点：(1) 兼容性好，有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，适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼 容和互操作的问题， 不同厂商的设备很容易互联，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广

13、泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如VB、Java、VC等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展,并保证技术上的可持续发展。(2) 易于与Internet 连接以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过Internet 对企业进行监控，能便捷地访问远程系统，共享 /访问多数据库。(3) 成本低廉采用以太网能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商

14、的广泛支持，具有丰富的软硬件资源，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的 开发和培训费用，在技术升级方面无需单独的研究投入，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。(4) 可持续发展潜力大由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网 络，信息技术与通

15、信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术的持续发展。(5) 通信速率高目前以太网的通信速率为 10M或100M 1000M 10G的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得多，以太网可以满足对带宽的更高要求。3.3以太网应用于控制时存在的问题1信息传输存在实时性差和不确定性工业控制网络要求具有比较高的实时性和确定性。而以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSM* CD)以及二进制指数退避算法(BEB),因此必导致信息传送的滞后，因其时 间滞后是随机的，这就说明实质上以太网是一种非确定性的网络系统。因此，对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生

16、碰撞的可能性，造成响应时间的不确定性，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性1-2。2以太网的可靠性差 安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够抗冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以 及具有比较好的电磁兼容性。 而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，其所用的插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，难以满足工业现场的恶劣环境要求。3缺乏应用于工业控制领域的应用层协议 以太网标准仅仅定义了 iso/os参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上Tory ip协议也只是提供了网络层和传输层的功能：两个设备要想正常通信必须使用相同

17、的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是 FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP简单邮件传输协议），HTFP（超文本传输 协议）等。这些协议所规定的数据结构等特性不符合工业控制现场设备之间的实时通信要求， 因此，必须制定统一的适用于控制领域的懂用层协议 3.4工业以太网技术的发展1信息传输实时性和确定性的改进 最近几年来，以太网技术有了长足的进步。其中，交换式以太网技术、高速以太网技术、虚 拟局域网（VLAN）技术、全双工通信技术、IP的服务质量（QoS）技术的发展与相互结合和应用， 大大的提高了以太网系统中信息传输的

18、实时性、确定性。首先，采用以太网交换机， 将网络分成若干网段，以太网交换机具有数据存储、转发功能，使各端口之间的输入输出的数据 帧能够得到缓冲，不再发生冲突；同时交换机还对网络传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点之间数据的传输仅限于本地网段内进行，而不需要经过主干网， 也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。其次，以太网的通信速率从10Mbps, 100Mbp跋展到现在的1000 Mbps , 10Gbps,在数据吞吐量相同的情况下，通信介质的占用时间 大大降低，有效地降低了网络碰撞的概率。另外，在应用过程中，系统可采用全双工通信技术可以使端口之间的两对双绞线 （或光纤

19、）分别同时接收和发送数据，从而使系统不再受到 CSM* C功勺约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在，不会产生方式冲突。还可以采用虚拟局域网（VLAN）技术对网络系统进行不同的功能层、不同的部门区分的逻辑划分， 增强网络系统中数据传输的实时性、安全性和确定性。IP的服务质量（QoS）技术的应用则能使我们在网络系统中区分实时和非实时数据，识别数据的优先级，实 时监控网络系统中实时数据传输，优化、控制网络通信负荷，提高系统中数据传输的实时性、确定性。2通信可靠性的改进 为了适应工业现场恶劣环境的要求，一些厂家已经推出了工业级的以太网设备，用以提高以太网的可靠性。在实际应

20、用中，主干网络可采用光纤传输，现场设备的连接可采用屏蔽双绞线。对于重要的网段和节点的通信器件采用冗余配置和自动无扰切换，在可能的情况下配置一个实时监控软件，不断监视整个网络的通信状况以及每一个节点的软硬件工作情况，一旦发现异常，就能够迅速将故障节点隔离开来，并做出相应报警。 所有这些手段都可以有效地提高以太网通信的可靠性和稳定性。 3工业以太网协议 由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应_业过程控制领域现场设备之间的以太网要求，所以必须在以太网和TCPflP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有效的以太网服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应

21、用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。日前已经制定的工业以太网协议有MODBUS/TCR ProfiNet、Ethemet / IP、HS薛。4、Internet4.1Internet由于使用以太网作为传输媒介，Internet已经发展起来，许多工业部门中Internet已经 成为在任何时候从任何地方轻易地获取信息的一种工具。实际上,Internet在工厂层最终将起到非常重要的作用。Internet与自动化应用一起工作，使用带有web®口的软件，Internet就能够调节统计上的过程信息和其它过程信息。为了管理部门或供应商的利益，Internet软件还能发布信息。 顾客能找到自己的订

22、货状态，而供应商能看到运转着的工厂操作。有关工艺规程、已加工的货物以及报表等级的业务信息将简化适时的交货。这种实时的工厂管理已经成为竞争性优越条件中所必需的。适时生产不仅对于企业的发展是必要的，而且实际上对于企业的生存也是必要的。Internet将是实现上述目的的关键工具。使用Internet的另一个应用是预防性维修。基于web网的软件与主要机械装置集成，可以向机器制造商提供有用的信息。检修技术人员可以从任何地方请求联机，有助于检查并排除故障。这样会减少机器的停机时间并减少了相关的费用。需要并正在进行改进的领域是基于web勺控制。目前，由于缺乏关于以太网与Internet的确定结合方案，使得我们还难以担保这样的控制万无一失。 作为一个例子，现场总线基金会FF的高速以太网HSEfc明确表示它是一种具有控制功能的Internet 。 HS/接器将远端H1网段的信息传递到以太网主干线上。这些信息通过Internet传到主控室，在那里操作员可以通过网络浏览器就能监控生产过程。控制信息也可同样被管