摘 要: 隨著現場總線的迅速發展，以太網也將成為網絡控制系統的發展方向，以太網也以其數字式、可互操作、開放性的特點受到越來越多關注和重視。本文通過分析解決以太網用于工業控制網絡的關鍵問題，設計并構建了一種基于Ethernet的工業過程控制系統。 關鍵字: 以太網;工業過程;控制系統;現場總線 1 引言 　　由于不同現場總線之間的技術特點與設計特征不同，基于不同現場總線的產品之間不能實現透明信息互訪。從理論上講，通過網絡互連設備和網關可以將不同現場總線產品連接起來、實現它們之間信息的互相訪問，但這樣做無疑是增加了信息傳送的復雜性，而且由于不同的現場總線網絡在錯誤檢查、配置等方面都有它們專有的技術規范，信息在不同總線之間傳輸時經常會丟失，而以太網技術可以很從容的克服這些問題。 2 控制網絡系統方案 　　工業以太網是將以太網應用到工業控制和管理的局域網技術。根據以太網的特點和現有的工業控制網絡的要求，有以下設計方案。專用的工業以太控制網絡。采用一些和普通以太網不同的專有技術，用以太網的結構實現現場總線所具備的所有控制功能，實現辦公自動化與工業自動化的無縫結合。如采用專門的以太網集線器技術，以集線器作為網絡的仲裁器;把現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，改造出了專用的網絡。結構方框圖與拓撲結構圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 工業以太網控制系統結構圖[/align] 　　與其它控制網絡結合的以太網控制系統。以太網正逐步向現場設備級深入發展，并盡可能和其它網絡形式融合。目前，基于Ethernet +TCP/IP的傳感器、變送器可以直接成為網絡的節點，其控制參數和控制狀態可以直接在企業信息網絡內部傳輸和共享，從而避免了FCS因存在多種協議而難以集成的局面。但以太網和TCP/IP協議原本不是面向控制領域的，在體系結構、協議規則、物理介質、數據、軟件和使用環境等方面與成熟的自動化解決方案相比還是有著很多需要我們去研究并加以解決的課題，因此，其它控制形式與以太網保留各自的優點并互為補充，是目前以太網進入控制領域最常見的應用方案。其結構方框圖如下。 [align=center] 圖2 Ethernet/FCS網絡結構[/align] 　　與其他控制網絡結合使用的工業以太網為現代化工業企業提供了很大的選擇余地，更好的利用現有的工業網絡，減少企業的投資，降低成本。在理想的工業以太網大范圍的應用之前，這種混合模式是將來一段時間的發展方向。 3 控制網絡組建 　　3.1 控制網絡系統的硬件結構 　　從上面分析得知，現有的現場總線目前是不可能完全為工業以太網所取代的，但后者發展的巨大潛力我們決不能忽視。針對我國工業發展的現狀，將現場總線與工業以太網結合起來更有現實意義。因此，本文提出將以太網技術、數據庫技術、OPC技術以及面向對象技術，編程實現了將多種現場總線以及PLC、FCS集成在同一以太網上，同時通過1nternet進行遠程監控的網絡控制系統。 　　控制系統由現場各種儀器儀表、嵌入式控制器、PLC、工控機、工作站、數據庫服務器、網關設備、交換式以太網等組成，可分為過程監控層和工業現場設備層。其中過程監控層網絡是系統的主干網絡，用于連接工程師站、操作站、數據庫服務器、制造執行系統設備等，而在工業現場設備層，帶以太網接口的PLC直接掛接到交換式集線器上，嵌入式控制器可以通過自帶的以太網接口接入到控制網絡中，現場的監控工作站實現工業監控組態、設備組態監控和網絡管理。遠程的監控工作站則可以利用編程進行遠程的實時數據調用、參數修改等功能，以達到遠程監控的功能。智能儀表和先進控制技術可以在實時數據庫平臺上集成，并通過企業信息網與ERP系統連接，提供生產實時數據，最大限度的增加企業管理和生產調度的能力。 　　該控制網絡系統的特點是，系統的通信建立在Ethernet +TCP/IP協議基礎上，通過網關把各種現場總線集成。當上位機向現場設備發送查詢或者控制指令時，它首先通過Ethernet和TCP/IP協議將相應的信息發送給網關，然后由網關根據現場總線協議發送給響應的現場設備或智能儀表。此外，在這里使用了OPC（OLE for Process Control）接口規范與應用程序實時交換數據。反過來，當現場的智能儀表有信息發送給上位機時，需要網關作為代理，將信息發送給相應的上位機。考慮到現場環境惡劣，操作人員和工程師無法或者無需到現場時，就可以通過Internet進行遠程訪問和控制。 　　3.2 控制網絡系統的軟件結構 　　本系統考慮到工業現場復雜的環境，現場和遠程計算機全部采用工控機，操作系統采用windows2000/NT，它可提供安全、可靠、簡單的TCP/IP網絡配置，支持客戶/服務器機制以及采用面向對象的編程方式，能勝任以太網控制系統。 　　本系統要完成的任務是將現場的實時信息數據集成到實時數據庫中，基于這個實時數據庫和操作系統平臺，在現場工控機上運行組態軟件和其它應用軟件，軟件設計時遵循OPC的接口規范，這樣上層的軟件就可以不依賴具體的設備。同時，通過Internet或者Ethernet，遠程工作站監控整個系統的運行狀況。 [align=center] 圖3 控制系統軟件功能模塊圖[/align] 　　整個系統以實時數據庫為中心，主要由數據庫系統、通訊系統和監控組態系統組成。其中數據庫包括實時數據庫和歷史數據庫，實時數據庫作為系統的服務器，單獨的存放在一臺工控機中，可存儲從各種儀表和設備系統接口中的獲取時間序列的實時數據，并供遠程客戶端訪問，實時數據庫實現了過程數據和管理數據的集成和共享。監控組態軟件的設計主要分為三個模塊，即初始化模塊、數據處理程序模塊和多線程事件處理模塊。其中，初始化功能模塊實現的功能有讀取組態好的系統配置文件并初始化系統配置硬件、讀取組態數據庫的組態變量記錄信息創建實時數據庫、讀取流程圖組態文件創建圖形顯示畫面。系統完成初始化后，將調用數據通訊程序與下位機進行通信，啟動多線程任務處理程序，實現圖形顯示、刷新、報警、歷史數據存盤、實時報表打印等。 4 以太網關鍵技術在系統中的應用 　　為了促進以太網在工業控制領域的應用，國際上成立了工業以太網協會（Industrial Ethernet Association），并與美國ARC Advisory Group/ARM Research研究中心和Gartner Group等機構合作開展工業以太網關鍵技術的研究。為了在無間斷的工業應用領域穩定地工作，美國Synergetic Micro System公司和德國Hirschman公司專門開發和生產導軌式收發器系列、集線器系列和交換機系列，他們安裝在標準DIN導線上，并有冗余電源供電;接插件采用牢固的DB-9結構。美國NET Silicon公司研制的工業以太網通信接口芯片，每片價格已降到10-15美元。目前將以太網用于工業控制領域的關鍵技術如下: 　　1、通信實時性。以太網的初衷是以辦公自動化為目標而設計的，并沒有考慮工業控制領域中的一些問題，它通過采用沖突檢測載波監聽多點訪問機制（CSMA/CD—Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）來解決通信介質層的競爭，這種機制導致了非確定性的產生，因為在一系列的碰撞后，報文可能會丟失，節點與節點之間的通信將無法得到保障，從而使控制系統需要的通信確定性和實時性難以保證。 　　但隨著互聯網技術的發展和大面積的推廣應用，利用以下技術可使得通信確定性和實時性得到一定程度的增強。采用全雙工端口交換方式; 采用高速以太網; 采用交換技術; 此外，為提高實時性還可以將以太網協議做一定改進和向網絡中加入QoS功能。如現有以太網協議RETHER（Real-Time Ethernet）和RTCC（Real-Time Communication Control），它們都是在不改變現有硬件設備的條件下采用一種新穎的傳輸機制。 　　2、總線供電。所謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供工作電源。采用總線供電可以減少網絡線纜，降低安裝復雜性和費用，提高網絡和系統的易維護性。特別是在環境惡劣與危險場合，“總線供電”具有十分重要的意義。由于Ethernet以前主要應用于商業計算機通信，一般的設備或工作站本身已具備電源供電，沒有總線供電的要求，因此傳輸媒質只用于傳輸信息。對現場設備的總線供電可采用以下方法。 　　In-Band方式（通過1、2、3、6來實現電力傳輸）。在目前以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范，將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離出來。 [align=center] 圖4 總線供電In-Band方式[/align] 　　這種方法雖然實現了與傳統DCS以及FF、Profibus等現場總線所采用的“總線供電法”相一致，做到了“一線二用”，節省了現場布線，但由于這種方法與傳統以太網在物理介質上傳輸的信號在形式上已不一致，因此這種修改后的以太網設備與傳統以太網設備不再能夠直接互連，而必須增加額外的轉接設備才能實現與傳統以太網設備（如計算機的以太網卡）的連接。此外，對于總線供電，還應具有過載保護功能以及冗余供電功能，確保在某一電路發生故障時，冗余電路可以自行進行切換，使用另一電源對終端設備進行供電。 　　本文作者創新點：本文將以太網這種目前應用最廣泛的局域網技術應用于工業控制網絡中，提出了一種基于Ethernet的工業過程控制系統，并且利用Ethernet TCP/IP使得開放性和低成本成為可能。 參考文獻: 　　[1] 馮冬芹，金建祥，褚健.工業以太網與實時以太網協議剖析.PLC&FA 2005.1:6～7 　　[2] 趙杰，張凡.工業以太網技術與發展[J].儀器儀表用戶，2004，11:1～2 　　[3] 隋運峰,劉一博,謝意,周建鴻.TCP在有線電視網絡中的問題和解決方法[J].微計算機信息, 4-3:141-143 　　[4] 蘇紹興等.工業以太網技術的發展與展望[J].溫州職業技術學院學報，2003，12:55～56 　　[5] 周國慶,尹燕磊,張留全,張允剛.基于以太網的電力智能監控終端的研究[J]. 微計算機信息, 2007, 3-2：37-38