信息化工厂中的工业以太网

1、前言

以互联网为基础的信息化社会，对于我们已经不是遥不可及，我们已是身临其境。现在我们已经很难想想失去网络和电脑后，工作、生活会变成什么样。同样信息化的浪潮也大大改变了生产、制造业的内涵。从最初的单片机的使用到DCS、PLC的普及，从单台设备的自动控制到整个生产线、整个工厂的信息化，这场变革正在我们的身边改变着工厂的内涵。党的十六大明确提出我国要走“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”的工业发展道路，因为它可极大的提升企业的竞争力。

本文主要介绍工业以太网在信息化工厂中所起的作用。我们先来看看“信息化工厂”的定义：信息化工厂是指在工厂的生产、管理、经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息的采集（传感器及仪器仪表）、信息的传输（通信）、信息的处理（计算机）以及信息的综合应用（自动化、管理、经营等功能）等都是信息化的内容。工业以太网络就是生产中自动化控制的神经网络，负责工业现场与管理、经营层之间的数据传输。

ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，对于生产型企业起到减少内耗、增加活力，提高对市场的反应能力，提高工作效率的作用。已经逐渐成为企业管理、经营、生产不可缺少的部分。这里我不去讨论ERP的运用与否对于企业来说，是促进还是自找麻烦。我只是想说：信息化对于企业的发展壮大是必要的，是大势所趋。国内许多企业已经通过信息化来大大提升了企业的效率。

2、信息化工厂的网络构成

ERP、MIS面向企业管理信息化。是企业管理、运营的信息化，处于整个信息系统的顶部。DCS、SCADA和PLC是企业生产的信息化，是生产中的控制系统，控制着自动化生产过程中的每一个环节，同时也是生产现场的数据采集系统。而工业以太网就是生产控制系统的主要数据传输网络。

图1 信息处理示意图

图2 网络示意图

信息处理系统大都基于网络和数据库技术。ERP、MIS、DCS、SCADA等系统也不例外，ERP、MIS基于关系数据库和商用以太网，而DCS、SCADA等基于工业以太网和实时数据库。工业以太网技术都来源于成熟的商业以太网，但是为了使以太网适合在工业现场恶劣的环境中保证数据的正常传输，工业以太网有以下几个主要特点：

1. 高确定性。由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，使用工业以太网交换机（switch）。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提高系统的确定性，但也提高了系统的成本。

2. 高实时性。在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在ms级的时间内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。工业以太网采用高速以太网方式。当网络中的负载越大的时候，发生冲突的慨率也就越大。当一个网络的负菏低于36%时，基本上不会发生冲突，在负荷为10%以下时，10M以太网冲突机率为每五年一次。100M以太网冲突机率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的慨率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已经出现通信速率达100M/S，1G/S的高速以太网，在加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。同时 工业以太网采用IEEE1588对时机制，IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议（PTP）。此协议并不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足要求。这使得它尤其适用于基于以太网的系统。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行