基于交换式工业以太网研究

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。

监控单元完成对整个控制过程的监控，参数设定等功能，如果要求监控工作站具有多媒体功能，可接入25Mbps端口。

现场设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场总线控制网络、PLC、嵌入式控制系统等。一般的工业控制计算机系统通过以太网卡接入网络交换机或交换式集线器；现场总线控制网络通过数据网关与以太网互联；PLC的接入有两种情况，带有以太网卡的PLC可通过以太网卡接入交换机，普通不带以太网卡的PLC要通过485／232转换及工业控制计算机接入网络交换机；嵌入式控制系统可通过嵌入式控制器自带的以太网卡接入网络交换机。

当网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的网络，每一个交换机及控制设备构成相对独立的控制子网。若干个控制子网互联组成规模较大的控制网络。

该控制网络系统具有以下特点：

（1）分布式对等功能单元

控制系统按功能分为管理层、控制层两层。管理层与传统工业网络的管理层无重大区别。控制层合并了原有的监控层和设备层，取而代之的是根据功能和部门划分的若干“单元”，各单元之间关系对等，单元内部是相对独立的实时控制区域。控制功能下放到各现场控制单元的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性。

（2）分层式网络结构

整个网络采用结构化设计，分为核心层、分布层二层。

核心层：为数据交换巾心，分布层设备之间的通信，其数据都通过该层进行高速交换。核心交换设备为三层高速交换机；创建和维护网络路山表，实现不同功能单元或虚拟局域网子网之间的路由；实施访问控制机制。

分布层：采用二层交换机实现各功能单元内部的数据交换，交换机与现场设备或下游交换机采用点－点／全双工方式连接，使单元内部主要设备都能独享带宽，从而保证系统通信实时性。

与扁平式网络相比，分层式网络结构具有很大优势：（a）能有效分割网络，成为较小的广播域和冲突域，为终端设备提供更大的带宽。（b）分层式结构提高了网络的扩展性，当加入新的功能单元时，不会降低网络的性能。（c）有利于故障排除，并限制故障影响。（d）使各功能单元成为对等关系，组成分布式通信系统。

（3）更高的开放性

基于Ethernet-TCP／IP的工业以太网，管理层和控制层使用相同的通信协议。本质上，管理单元与现场控制单元及监控单元可自由通讯，使上下层之间实现“无缝”集成；如果必要，管理层的决策单元可以直接获得现场控制单元的数据，有利于提高综合自动化决策速度；与此同时，管理层与控制层之间建立必要的访问控制机制，保护现场控制单元和敏感部门的安全和通信的实时性。

由于采用得到广泛应用的开放标准（协议），各厂家的设备只要采用相同的协议，或通过智能转换器，就能方便地集成在同一个系统中，提高了互连性和互可操作性，从而消除了不同自动化系统之间的“信息孤岛”。

（4）高传输速率

一般来说，骨干链路采用100Mbps传输率，设备及终端接入链路使用10／100Mbps传输率；另外，分层式网络结构可将功能单元的通信数据尽量限制在本地，节约了骨干链路带宽，也减少了单元之间的广播，提高了终端的带宽。

4、交换式以太控制网络应用于工业现场的关键技术

· 确保通信实时性。长期以来，以太网通信响应的不确定性是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一，而导致不确定性的主要原因是以太网访问传输媒体的方法，这种方法容易产生“捕获效应”。交换式以太控制网络技术不但极大地提高了信道地利用率，更重要的是它能够屏蔽传统共享式以太网的时延不确定性，为它应用于工业控制清除了主要障碍。然而，当交换式以太控制网络规模扩大后，又出现了环路和广播风暴的问题。

· 环路和广播风暴的解决方案。工业控制系统的网络结构日趋复杂，很难保证其拓扑结构中不包含闭合环路。但可以采用动态生成树算法计算交换机的路由，从而避免环路对数据帧转发路由造成的影响，同时增加了交换式以太控制网络的健壮性和组网的方便性。

· 对网络安全性的支持。目前交换式以太控制网络已经把传统的3层网络系统（即信息管理层、过程监控层、现场设备层）合成一体，同时引入了一系列的网络安全问题。除了引进防火墙机制外，网络小身对安全提供两方面的支持：网络设备访问控制和数据访问控制。

· 总线供电。所谓总线供电或总线馈电，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。采用总线供电可以减少网络线缆，降低安装复杂性与费用，提高网络和系统的易维护性。特别是在恶劣与危险的场合，总线供电具有十分重要的意义。由于以太网以前主要用于商业计算机通信，一般的设备或工作站（如计算机）本身已具有电源供电，没有总线供电的要求，因此传输媒体只用于传输信息。

· 互操作性。互操作性是指连接到同一网络上的不同厂家的设备之间通过同一的应用层协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。作为开放系统特点之一，互操作性向用户保证了来自不同厂商的设备可以相互通信，并且可以在多厂商产品的集成环境中共同工作。这一方面提高了系统的质里，另一方面为用户提供了更大市场选择机会。互可操作性是决定某一通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户接受，并进行大面积应用的关键。

· 网络生存性。所谓网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。任何一个系统组件发生故障，不管它是否是硬件，都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序以致于整个系统的瘫痪，则说明该系统的网络生存能力很弱。因此，为了使网络正常运行时间最大化，需要以可靠的技术来保证在网络维护和改进时，系统不发生中断。

· 本质安全与安全防爆技术。在生产过程中，很多工业现场不可避免地存在易燃、易爆与有毒等场合。对应用于这些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技术措施来保证工业现场的安全。

现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型（如增安、气密、浇封等）和本质安全型。与隔离型技术相比，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。

以太网系统的本质安全包括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现场设备。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60～70mA（5V工作电源），因此相对而言，基于以太网的低功耗现场设备和交换机的设计比较困难。

· 远距离传输。在工业现场，由于生产装置一般都比较复杂，各种测量和控制仪表的空间分布比较分散，彼此间的距离比较远，有时设备与设备之间的距离长达数公里。对于这种情况，如遵照传输的方法设计以太网，使用10Base-T双绞线就显得远远不够，而使用10Base-2或10Base-5同轴电缆则不能进行全双工通信，而且布线成本也比较高。同样，如果在现场都采用光纤传输介质，布线成本可能比较高，但随着互联网和以太网技术的大范围应用，光纤成本肯定会大大降低。