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案例頻道 桂林理工大學機械與控制工程學院、杭州盈控自動化有限公司 黃福彥
桂林理工大學機械與控制工程學院 韓東升、程大方
桂林理工大學機械與控制工程學院 韓東升、程大方
摘 要：計算機數字通訊技術及信息技術的發展推動了自動化技術的進步，尤其是近年來新興的工業以太網技術的發展，促進了集散控制系統網絡結構發生了重大變化，現代控制多層網絡結構是DCS控制系統發展的必然趨勢。本文介紹了一般控制系統網絡中的常用的管理網、系統網、控制網等網絡。
關鍵詞：工業以太網；系統網；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
以太網產生于1973年，當時，施樂公司的Bob Metcalfe在一張餐巾紙上勾畫出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現在還保存在施樂公司的Palo Alto研究中心。最初的Ethernet標準通訊速率是2.94Mbps。在施樂公司和Intel公司、Digital Equipment公司合作開發了DIX2.0標準后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時期，國際電氣與電子工程師協會（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，隨著計算機和網絡技術的發展，引發了控制領域深刻的技術變革，Ethernet逐漸的進入工業領域。據統計，目前在工業領域有超過100種通訊協議被應用于各種各樣的工業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的網絡協議，因而控制系統結構向網絡化、開放性方向發展將是控制系統技術發展的主要潮流，以太網作為目前應用最為廣泛的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域將會得到了越來越多的應用[1]。
1 以太網發展趨勢及其技術介紹
目前，以太網已經應用到了各個領域，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系統網絡結構一般都包含這四層。以太網之所以給自動化市場帶來風暴式的革命，主要有3個原因：低成本的刺激和速度的提高；現代企業對實時生產信息有越來越多的要求；以太網的開放性和兼容性。
隨著通訊技術的發展以太網傳輸速度有了極大的提高，基于TCP/IP的協議簇已經成為工業界事實上的網絡標準，在不同廠商的不同網絡系統互聯方面起著關鍵作用。但當以太網用于工業控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議[3]。工業以太網技術的發展將完全改變傳統工業企業的網絡架構。工業以太網已經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架構以后，集散控制器的位置也可以突破傳統網絡架構的限制，可以位于現場，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，有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，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模塊中的當前狀態值。此外，通過Internet可以實現對工業生產過程的實時遠程監控，將實時生產數據與ERP系統以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向定單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業能夠適應經濟全球化的要求。
2 集散控制系統網絡的典型結構
一般來講，現代集散控制系統網絡可分為4層：管理網、系統網、控制網、設備層網，如圖1所示。
圖1 集散控制系統網絡構圖
2.1 管理網
管理網MNet實現不同單元裝置或生產車間之間的協調控制、數據通訊；企業內多組裝置或生產過程的管理數據通訊；大型工業過程各子系統間的協調控制與調度管理；通訊介質一般采用光纖、同軸電纜、雙絞線。其功能如下：
● 可從運行有數據服務軟件的操作站（或專用服務器）上獲取系統過程參數和系統運行信息，同時向下傳送上層管理計算機的調度指令和生產指導信息；
● 企業內多組裝置或生產過程的管理數據通訊；
● 大型工業過程各子系統間的協調控制與調度管理；
● 工廠級的綜合管理、調度、統計和決策等。
2.2 系統網
系統網SNet是連接工程師站、操作站、控制站等節點的實時工業網絡，實現現場控制站傳遞現場I/O采集數據至操作站；各現場控制站間的數據傳遞，以滿足大范圍協調控制的需要；操作站和工程師站向現場控制站傳遞控制指令或組態數據；保持各操作站之間數據的一致性[5]。系統網一般采用符合IEEE802.3標準的工業以太網；其通訊速率10M/100Mbps，傳輸介質為5類非屏蔽雙絞線。系統網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絡失效的情況下不影響系統通訊。系統網拓撲結構為星型和菊花鏈型，在一定區域范圍的各節點都通過雙絞線連到一個以太網交換機上，各區域又通過雙絞線或光纖把多個光端機/交換機互連在一起。系統網的最大通訊距離與交換機/光端機的個數和使用的通訊介質有關。
系統網絡主要完成下面的基本功能：
● 現場控制站傳遞現場I/O采集數據至操作站；
● 各現場控制站間的數據傳遞，以滿足大范圍協調控制的需要；
● 操作站和工程師站向現場控制站傳遞控制指令或組態數據；
● 保持各操作站之間數據的一致性。
系統網絡SNet網絡結構如圖2所示。
圖2 系統網絡SNet網絡結構
系統網的通訊介質、交換設備、網絡適配器等均可雙重冗余配置，對于冗余配置的兩個網工業系統一般分別稱之為A網和B網。發送數據的站點在發送數據時，無論兩條線路均正常工作還是僅有一條線路正常工作，均把數據包向兩個線路都發送，接收站點則根據所接收的數據包的時間順序或質量標記僅選取冗余的兩個數據包中的一個。這樣不僅可避免網絡線路交錯出現故障（如圖3所示）時無法正常收發數據的情況，而且在不正常的網絡恢復正常時，系統幾乎不需要恢復時間就可重新正常通訊。
圖3 系統網絡SNet交錯故障示意圖
系統網絡的過程實時信息的傳遞是完全基于UDP/IP協議的。UDP協議是最簡單的、無連接的傳輸協議，在通訊過程中，UDP協議不但減少了因建立連接和撤銷連接所需的巨大開銷，而且不進行數據的確認與重傳，從而極大的提高了傳輸速率。此外系統網絡在UDP協議的基礎上，大量使用了組播和廣播技術，從而進一步大大的減輕了網絡通訊負擔。對于數據傳輸的系統網絡驅動程序還提供流量控制、差錯控制、自動重發、報文傳輸時間順序檢查、報文質量標記檢查等確保數據可靠的功能。因此系統網絡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以太網的系統網絡不會因通訊負擔過重而癱瘓。
2.3 控制網
控制網絡采用CAN（Control Area Network）現場總線網，符合ISO11898 CAN Specification 2.0B標準，是一種按優先級搶占式的總線網絡，它的數據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，適用于在多種工業環境下進行通信的總線，它具有以下特點[6]：
● 多主工作方式，網絡上任意一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需地址等節點信息，可方便地構成多機備份系統[7]；
● 網絡節點信息分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，高優先級的數據最多可在134us內得到傳輸；
● 采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓情況；
● 只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無需專門的“調度”；
● 節點數主要取決于總線驅動電路，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；
● 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響；
● 通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活[8]。
控制網絡是現場控制站內部使用的網絡，實現現場控制站內部的各個智能I/O模板和控制模板之間的互聯和信息傳遞。如圖4所示國內某集散控制系統廠家DCS的CAN總線連接圖，現場控制站的控制網絡上接有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 控制網絡Cnet的網絡結構圖
2.4設備層
設備層又叫靈巧總線SmartBus是IO模塊內部連接I/O模塊與底板控制器的實時控制網絡，實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：
● 支持點對點發送和廣播發送功能；
● 節點錯誤嚴重時不會影響其他節點正常工作；
● 傳輸時間短，不易干擾，具有極好的檢錯效果；
● 容易實現信號和信號之間，信號和主機之間的隔離；
● 容易實現模塊級功能擴展。
3 結論
從上述案例論述中，我們可以得出以下簡單的結論：工業自動化網絡的發展趨勢應該是分布式、開放化、立體化和信息化。分布式的結構是一種能確保網絡中每個智能的模塊能夠獨立的工作的網絡，達到系統危險分散的概念；開放化則是系統結構具有與外界的接口，實現系統與外界網絡的連接；立體化則使系統網絡傳輸分工更加細化；信息化則是使系統信息能夠進行綜合處理能力，與網絡技術結合實現網絡自動化和管控一體化。基于以太網技術的集散控制系統具有低成本和開放性，可以實現遠程控制，易于與管理結合，實現管控一體化。
參考文獻：
[1] 張智杰.以太網在自動化中的應用[ J ].國內外機電一體化技術,2004,(6):87.
[2] 王開春.以太網技術在閘門自動化系統中的應用[ J ].自動化與儀表,2009,24(5):15.
[3] 王常力,羅安.分布式控制系(DCS)設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社,2005. 289-290.
[4] 鄒益仁,馬增良,蒲維.現場總岸線控制系統的設計和開發[ M ]. 北京：國防工業出版社,2003. 108-109.
[5] 田志強,于立波,萬德平.酒精生產線DCS控制系統的設計與實現[ J ].自動化與儀表,2008,23(12):33.
[6] 魏衡華,陳根杰,張玉斌,李隆.基于CAN總線的步進電機控制系統的設計[ J ].自動化與表,2009,24(1):29-30.
[7] 張穎超,楊宇峰,葉小嶺,楊樂.基于CAN總線的溫度檢測系統的通訊設計[ J ].控制工程,2009,16(4):103-104.
[8] 陳景文,王紅艷.CAN總線協議及組網方法[ J ]. 國內外機電一體化技術,2005,41(2):46.
作者簡介: 黃福彥（1976-），男，山東菏澤人，桂林工學院研究生，主要研究方向為過程控制與參數檢測；
韓東升（1982-），男，河南鄭州人，桂林工學院研究生，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