基于交换式工业以太网研究

0、引言

信息网络技术的迅猛发展正深刻地改变着人们的工作方式和生活方式，特别是对企业的信息化和自动化发展也产生着巨大的影响。企业的信息化，能够有效提高企业的生产、经营、管理质量与效率，从而提高企业的市场竞争能力与可持续发展能力。在企业信息化和自动化领域，计算机技术、控制技术、网络与信息技术的结合，孕育了控制网络技术的产生。企业信息化的发展，迫切需要一个开放的、统一的、有效的、并且具有较强可持续发展能力的网络通信平台来支撑。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等优点，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但足传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA／CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2－30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。本文将对此以及其它工业以太网巾的关键技术作了一定的研究。

1、传统工业控制网络结构

从总体结构上来讲，传统企业网络可分为三个层次：管理层、监控层和现场设备层。其结构示意图如下所示：

图1 传统工业控制网络

管理层、控制层、设备层三层各层功能如下：

● 管理层。主要是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制定综合管理决策。管理层一般使川通用以太网，方便操作，并可连入外部网络。

● 监控层。从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功能一般由上位计算机完成，一方面，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；另一方面，通过专门的现场总线接口（转换器）实现现场总线网段与以太网段的连接。其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制利远程操作优化提供支撑环境。

● 设备层。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，依照现场总线的协议标准，设备采用功能块的结构，通过组态设汁，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能；此外，通过智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。

2、控制网络与信息网络的区别与集成的必要性

控制刚络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多共同点，但又有不同之处和独特的地方。

由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性，所以，应用于测量与控制的数据通信不同于一般电信网络的通信，也不同于信息技术中一般计算机网络的通信。控制网络数据通信以引发物质或能盘的运动为最终目的。用于测量与控制的数据通信的主要特点是：允许对实时的事件进行驱动通信，具有很高的数据完整性，在电磁干扰和有地电位差的情况下能正常工作，多使用专用的通信网络等。

控制网络与信息网络的具体不同如下：

① 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0.01－0.5s，制造自动化系统的响应时间要求为0.5－2.0s，信息网络的响应时间要求为2.0～6.0s。在信息网络的大部分使用中实时性是可以忽略的。

② 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆场合，控制网络还应具有本质安全性能。

③ 在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式：在信息网络中某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信方式。

④ 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容，即互操作性的问题。

目前，企业网络一般包含处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络一般处于企业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息，具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。

由此可见控制网络与信息网络的集成十分必要，将为企业计算机综合自动化CIPA（Computer Integrated Plant Automation）与信息化创造有利的条什。主要体现在下面几点：

（1）实现控制网络与信息网络的信息集成，建立综合实时信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据。
（2）建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可操作性。
（3）实现对控制网络工作的远程监控、优化调度及控制网络的远程诊断。
（4）实现控制网络的远程软件维护与更新。

3、交换式工业以太网

基于以太网的分布式控制系统的采用正是为了能够更好地实现控制网络与信息网络的集成，克服以前各种控制系统的不足。以太网与现场总线相比，其主要优势在于它能提供一个开放的基础构架，使企业从现场控制层到管理层实现全面的无缝信息集成；解决由于网络协议上的鸿沟导致“自动化孤岛”的问题。

针对工业控制系统的要求，结合商用网络成熟的设计方法，本文设计了一个结构化的交换式工业以太网，整个系统完全基于Ethernet－TCP／IP的一体化设计。其系统结构示意图如图2所示。

图2 分布式以太网结构示意图

整个网络以以太网交换机为中心，包括数据库服务器、文件服务器。以太网交换机有10Mbps，25Mbps和100Mbps等宽带端口，一般通过100Mbps网络交换机端口连到服务器，以满足工业PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等频繁访问服务器时对网络宽带的要求。