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以太网在工业控制领域的应用及未来展望【硬之城】

时间:2016-11-24 14:03:47 作者:硬姐

摘要:以太网在工业控制领域的应用及未来展望【硬之城

  以太网

  以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。

  IEEE802.3规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术,它很大程度上取代了其他局域网标准。如令牌环、FDDI和ARCNET。历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后,千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。

  常见的802.3应用为:

  10M: 10base-T (铜线UTP模式)

  100M: 100base-TX (铜线UTP模式)

  100base-FX(光纤线)

  1000M: 1000base-T(铜线UTP模式)

  工业以太网

  一般来讲,工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,工业以太网和标准以太网的异同可以比之与工业控制计算机和商用计算机的异同。以太网要满足工业现场的需要,需达到以下几个方面的要求。

  (1) 适应性

  包括机械特性(耐振动、耐冲击)、环境特性(工作温度要求为-40~+85℃,并耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN50082-2标准。

  (2) 可靠性

  由于工业控制现场环境恶劣,对工业以太网产品的可靠性也提出了更高的要求。

  (3) 本质安全与安全防爆技术

  对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场的智能装备以及通信设备,都必须采取一定的防爆措施来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括隔爆型(如增安、气密、浇封等)和本质安全型两类。与隔爆型技术相比,本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段,可以带来以下技术和经济上的优点:结构简单、体积小、重量轻、造价低;可在带电情况下进行维护和更换;安全可靠性高;适用范围广。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大,一般都在六七十mA(5V工作电源),因此低功耗的现场设备(如工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的变送器和执行机构等)设计难以实现。因此,在目前的技术条件下,对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行。另一方面,对于没有严格的本安要求的非危险场合,则可以不考虑复杂的防爆措施。

  (4) 安装方便,适应工业环境的安装要求,如采用DIN导轨安装。

  工业以太网的应用

  由于以太网无可争议的优势,将以太网应用于工业自动化领域正成为人们关注的热点。介绍了企业信息化系统的分层结构,分析了以太网用于工业领域要解决的一些问题,展示了以太网工业应用现状,并展望其发展前景。

  在工业生产中,随着生产规模的扩大和复杂程度的提高,实际应用对控制系统的要求越来越高。在20世纪50~60年代,以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表组成的监控系统取代传统的机电控制系统。随后是在70~80年代,集散控制系统DCS(Distributed Control System)的出现,把大量分散的单回路测控系统通过计算机进行集中统一管理,用各种I/O功能模块代替控制室仪表,利用计算机实现回路调节、工况联锁、参数显示、数据存储等多种功能,从而实现了工业控制技术的飞跃。

  DCS一般由操作站级、过程控制级和现场仪表三级组成,其特点是“集中管理,分散控制”,基本控制功能在过程控制级中,工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到较低的程度,且各种软硬件技术不断走向成熟,极大地提高了整个系统的可靠性,因而迅速成为工业自动控制系统的主流。但DCS的结构是多级主从关系,底层相互间进行信息传递必须经过主机,从而造成主机负荷过重,效率低下,并且主机一旦发生故障,整个系统就会“瘫痪”。而且DCS是一种数字—模拟混合系统,现场仪表仍然使用传统的4~20mA模拟信号,工程与管理成本高,柔性差。此外各制造商的DCS自成标准,通讯协议封闭,极大的制约了系统的集成与应用。

  进入90年代,具有数字化的通信方式、全分散的系统结构、开放的互联网络、多种传输媒介和拓扑结构、高度的环境适应性等特点的现场总线(Fieldbus)技术迅速崛起并趋向成熟,控制功能全面转入现场智能仪表,而在此基础上形成的新的现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为设备层、控制层和信息层。采用了现场总线技术使控制功能下放到现场设备成为可能,现场总线标准不仅是通信标准,同时也是系统标准。FCS正在走向取代DCS并推动着工业控制技术的又一次飞跃。

  以太网应用于工业控制时存在的问题

  传统的以太网是一种商用网络,要应用到工业控制中还存在一些问题,主要有以下几个方面。

  (1) 存在实时性差,不确定性的问题

  传统的以太网采用了CSMA/CD的介质访问控制机制,各个节点采用BEB(Binary ExponenTIal Back-off)算法处理冲突,具有排队延迟不确定的缺陷,每个网络节点要通过竞争来取得信息包的发送权。通信时节点监听信道,只有发现信道空闲时,才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后,还需要检查是否发生碰撞,信息如发生碰撞,需退出重发,因此无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性,不能满足工业过程控制在实时性上的要求,甚至在通信繁忙时,还存在信息丢失的危险,从而限制了它在工业控制中的应用。

  (2) 工业可靠性问题

  以太网是以办公自动化为目标设计的,并没有考虑工业现场环境的适应性需要,如超高或超低的工作温度,大电机或其他大功率设备产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。以太网如在车间底层应用,必须要解决可靠性的问题。

  (3) 以太网不提供电源,必须有额外的供电电缆

  工业现场控制网络不仅能传输通信信息,而且要能够为现场设备传输工作供给电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑,同时总线供电还能减少线缆,降低布线成本。

  (4) 以太网不是本质安全系统

  (5) 安全性问题

  以太网由于使用了TCP/IP协议,因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层,造成安全漏洞。对此,一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理,但针对工业自动化控制网络安全问题的解决方案还需要认真研究。

  (6) 现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题

  上述这些问题中,实时性、确定性及可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。为了解决这一问题,人们提出了工业以太网的解决办法。

  结论

  以太网作为网络和信息技术的新趋势,在工业通信和自动化系统中起到至关重要的作用,其优越的性能,为您的应用带来巨大的利益:通过简单的连接方式快速装配。通过不断的开发提供了持续的兼容性,因而保证了投资的安全。通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。各种各样联网应用,例如办公室环境和生产应用环境的联网。

  在工业通信和自动化系统中采用以太网和TCP/IP协议作为最主要的通信接口和手段,向网络化、标准化、开放性方向发展,将是各种工业控制系统技术发展的主要潮流。市场占有率高达80%,

  以太网作为目前应用最广泛、成长最快的局域网技术,在工业自动化和过程控制领域得到了超乎寻常的发展。同时,基于IP的全程一体化寻址,为工业生产提供的标准、共享、高速的信息化通道解决方案,也必将对工业控制系统产生深远的影响。

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