摘要：本文通過對傳統工業控制網絡的深入分析，提出了一種新型的控制網絡體系結構——結構化的交換式工業以太網。分析了該系統的特點，探討了交換式以太控制網絡應用于工業現場的關鍵技術。
關鍵詞：控制網絡；以太網；信息網絡；分布式智能

引言

信息網絡技術的迅猛發展正深刻地改變著人們的工作方式和生活方式，特別是對企業的信息化和自動化發展也產生著巨大的影響。企業的信息化，能夠有效提高企業的生產、經營、管理質量與效率，從而提高企業的市場競爭能力與可持續發展能力。在企業信息化和自動化領域，計算機技術、控制技術、網絡與信息技術的結合，孕育了控制網絡技術的產生。企業信息化的發展，迫切需要一個開放的、統一的、有效的、并且具有較強可持續發展能力的網絡通信平臺來支撐。以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等優點，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業系統中被廣泛采用。但足傳統以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA／CD）通訊方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表：商業以太網在工業應用中的傳輸延滯在2－30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。本文將對此以及其它工業以太網巾的關鍵技術作了一定的研究。

1 傳統工業控制網絡結構

從總體結構上來講，傳統企業網絡可分為三個層次：管理層、監控層和現場設備層。其結構示意圖如下所示：

圖一 傳統工業控制網絡
管理層、控制層、設備層三層各層功能如下：

●管理層。主要是辦公自動化系統，同時從監控層提取有關生產數據用于制定綜合管理決策。管理層一般使川通用以太網，方便操作，并可連入外部網絡。

●監控層。從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態的設計和下裝。監控層的功能一般由上位計算機完成，一方面，它通過擴展槽中網絡接口板與現場總線相連，協調網絡節點之間的數據通信；另一方面，通過專門的現場總線接口（轉換器）實現現場總線網段與以太網段的連接。其關鍵技術是以太網與底層現場設備網絡間的接口，主要負責現場總線協議與以太網協議的轉換，保證數據包的正確解釋和傳輸。監控層除上述功能外，還為實現先進控制利遠程操作優化提供支撐環境。

●設備層。現場設備以網絡節點的形式掛接在現場總線網絡上，依照現場總線的協議標準，設備采用功能塊的結構，通過組態設汁，完成數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能；此外，通過智能轉換器對傳統檢測儀表電流電壓進行數字轉換和補償。

2 控制網絡與信息網絡的區別與集成的必要性

控制剛絡技術源于計算機網絡技術，與一般的信息網絡有很多共同點，但又有不同之處和獨特的地方。

由于工業控制系統特別強調可靠性和實時性，所以，應用于測量與控制的數據通信不同于一般電信網絡的通信，也不同于信息技術中一般計算機網絡的通信。控制網絡數據通信以引發物質或能盤的運動為最終目的。用于測量與控制的數據通信的主要特點是：允許對實時的事件進行驅動通信，具有很高的數據完整性，在電磁干擾和有地電位差的情況下能正常工作，多使用專用的通信網絡等。

控制網絡與信息網絡的具體不同如下：

①控制網絡中數據傳輸的及時性和系統響應的實時性是控制系統最基本的要求。一般來說，過程控制系統的響應時間要求為0．01－0．5s，制造自動化系統的響應時間要求為O．5－2．0s，信息網絡的響應時間要求為2．0～6．0s。在信息網絡的大部分使用中實時性是可以忽略的。

②控制網絡強調在惡劣環境下數據傳輸的完整性、可靠性。控制網絡應具有在高溫、潮濕、振動、腐蝕，特別是電磁干擾等工業環境中長時間、連續、可靠、完整地傳送數據的能力，并能抗工業電網的浪涌、跌落和尖峰干擾。在可燃和易爆場合，控制網絡還應具有本質安全性能。

③在企業自動化系統中，由于分散的單一用戶要借助控制網絡進入某個系統，通信方式多使用廣播或組播方式：在信息網絡中某個自主系統與另一個自主系統一般都建立一對一通信方式。

④控制網絡必須解決多家公司產品和系統在同一網絡中相互兼容，即互操作性的問題。

目前，企業網絡一般包含處理企業管理與決策信息的信息網絡和處理企業現場實時測控信息的控制網絡兩部分。信息網絡一般處于企業中上層，處理大量的、變化的、多樣的信息，具有高速、綜合的特征。控制網絡主要位于企業中下層，處理實時的、現場的信息，具有協議簡單、容錯性強、安全可靠、成本低廉等特征。

由此可見控制網絡與信息網絡的集成十分必要，將為企業計算機綜合自動化CIPA（Computer Integrated Plant Automation）與信息化創造有利的條什。主要體現在下面幾點：

（1）實現控制網絡與信息網絡的信息集成，建立綜合實時信息庫，為企業優化控制、生產調度、計劃決策提供依據。
（2）建立分布式數據庫管理功能，保證數據一致性、完整性和可操作性。
（3）實現對控制網絡工作的遠程監控、優化調度及控制網絡的遠程診斷。
（4）實現控制網絡的遠程軟件維護與更新。

3 交換式工業以太網

基于以太網的分布式控制系統的采用正是為了能夠更好地實現控制網絡與信息網絡的集成，克服以前各種控制系統的不足。以太網與現場總線相比，其主要優勢在于它能提供一個開放的基礎構架，使企業從現場控制層到管理層實現全面的無縫信息集成；解決由于網絡協議上的鴻溝導致“自動化孤島”的問題。

針對工業控制系統的要求，結合商用網絡成熟的設計方法，本文設計了一個結構化的交換式工業以太網，整個系統完全基于Ethernet－TCP／IP的一體化設計。其系統結構示意圖如圖二所示。

圖二 分布式以太網結構示意圖
整個網絡以以太網交換機為中心，包括數據庫服務器、文件服務器。以太網交換機有1OMbps，25Mbps和1OOMbps等寬帶端口，一般通過1OOMbps網絡交換機端口連到服務器，以滿足工業PC，PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務器時對網絡寬帶的要求。