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以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
如何利用COTS技術(shù)來滿足工業(yè)控制需要，是以太網(wǎng)目前迫切需要解決的問題，這些問題包括通信實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)生存性、網(wǎng)絡(luò)安全、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總線供電、本質(zhì)安全、遠(yuǎn)距離通信、可互操作性等，這些技術(shù)是直接影響以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的應(yīng)用。
(1)工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性
為滿足工業(yè)過程控制要求，工業(yè)以太網(wǎng)必須具有很高的實(shí)時(shí)性。但是，長(zhǎng)期以來，Ethernet通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一，這里的“不確定”是指由CSMA/CD機(jī)制造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)和時(shí)延的“不可預(yù)測(cè)和再現(xiàn)”。
但隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加(10/100/1000Mbs)，沖突幾率大大減小，加之相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸趨于確定性;因而，有些國外自控專家認(rèn)為：基于良好設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)系統(tǒng)是確定性的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。經(jīng)研究表明，經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)，工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間小于4ms，可滿足幾乎所有工業(yè)過程控制要求。在工業(yè)以太網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的機(jī)制主要包括如下幾個(gè)方面：交換式集線器、全雙工(Full-Duplex)通信模式、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)等等。
(2)工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量服務(wù)(QoS)
QoS是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制。在正常情況下并不需要QoS，但在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以為工業(yè)控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信提供一種保障機(jī)制;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時(shí)，QoS 能確保重要控制數(shù)據(jù)傳輸不受延遲或丟棄，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。
擁有QoS的網(wǎng)絡(luò)是一種智能網(wǎng)絡(luò)，它可以區(qū)分實(shí)時(shí)-非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在工業(yè)以太網(wǎng)中，可以使用QoS識(shí)別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級(jí)的采樣數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，優(yōu)先得到處理并轉(zhuǎn)發(fā);而其它擁有較低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，如管理層的應(yīng)用類通信，則相對(duì)被延后。智能網(wǎng)絡(luò)還有能力制止對(duì)網(wǎng)絡(luò)的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場(chǎng)控制單元和監(jiān)控單元的終端等，這對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)的完全性提升有重要作用。為了實(shí)現(xiàn)這種智能，具有QoS的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包含三個(gè)過程： ①分類――具有QoS的網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別哪種應(yīng)用產(chǎn)生哪種分組。沒有分類，網(wǎng)絡(luò)就不能確定對(duì)特殊分組要進(jìn)行的處理。② 標(biāo)注化――在識(shí)別分組之后，要對(duì)它進(jìn)行標(biāo)注，便于其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方便地識(shí)別這種數(shù)據(jù)。③優(yōu)先級(jí)――優(yōu)先級(jí)處理可以確保工業(yè)過程控制的采集數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生突發(fā)高負(fù)載時(shí)，仍能優(yōu)先得到轉(zhuǎn)發(fā)而不至于產(chǎn)生延遲。
(3)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存性
所謂網(wǎng)絡(luò)生存性，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，必須具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可用性，如果任何一個(gè)系統(tǒng)組件發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序以至于整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力非常弱。工業(yè)以太網(wǎng)的生存性或高可用性包括可靠性、可恢復(fù)性、可管理型等三幾個(gè)方面的內(nèi)容。
在工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的可靠性非常重要，需要采取冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須有一個(gè)快速的故障探測(cè)和自恢復(fù)機(jī)制以保障網(wǎng)絡(luò)的可用性。首先CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，故障探測(cè)和自恢復(fù)機(jī)制必須是快速響應(yīng)的，如果網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)，就不能保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。其次，必須限制網(wǎng)絡(luò)故障的傳播，將其對(duì)其他傳輸設(shè)備和網(wǎng)段的影響最小化，即除故障點(diǎn)外，其它網(wǎng)段仍能正常工作。
在透明的交換式以太網(wǎng)中，故障探測(cè)和自恢復(fù)工作實(shí)際上就是在該層重新建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)在MAC層的路由功能。目前普遍使用是IEEE802.1D標(biāo)準(zhǔn)。在局域網(wǎng)內(nèi)的交換機(jī)執(zhí)行了生成樹算法以后，會(huì)組成一個(gè)動(dòng)態(tài)的生成樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個(gè)工作站之間不存在回路，以防止由此產(chǎn)生的局域網(wǎng)廣播風(fēng)暴，同時(shí)，生成樹算法還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，并能在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化之后建立新的生成樹。例如當(dāng)一個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障或某一條鏈路斷了后，能提供一定的容錯(cuò)能力而重新配置生成樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)根據(jù)生成樹動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息來維護(hù)和更新MAC路由表，最終實(shí)現(xiàn)MAC層的路由。
(4)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全
以太網(wǎng)和TCP/IP的優(yōu)勢(shì)在于其在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及良好的開放性，同時(shí)也更容易受到自身技術(shù)缺點(diǎn)和人為的攻擊。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，安全問題需考慮來自內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面，其安全功能需滿足：防范來自外部網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊，限制外部網(wǎng)絡(luò)非信任終端對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源的訪問，防止來自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的攻擊以及對(duì)控制域資源的非授權(quán)訪問，提供工程人員和設(shè)備供應(yīng)商遠(yuǎn)程故障診斷和技術(shù)支持的保障機(jī)制。內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的安全主要是防止本地用戶對(duì)設(shè)備控制域系統(tǒng)的非法訪問，外網(wǎng)絡(luò)安全則是防止外部非法用戶訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的資源和非法向外傳遞內(nèi)部信息，保證企業(yè)內(nèi)外通信的保密性、完成性和有效性。
在工業(yè)以太網(wǎng)中可以采取的基本安全技術(shù)主要有三個(gè)方面，即加密技術(shù)、鑒別交換技術(shù)和訪問控制技術(shù)，防火墻技術(shù)就是訪問控制技術(shù)的一種具體體現(xiàn)。
(5)總線供電與安全防爆技術(shù)
所謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源?？偩€供電可以減少網(wǎng)絡(luò)線纜，降低安裝復(fù)雜性與費(fèi)用，提高網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的易維護(hù)性。特別是在環(huán)境惡劣與危險(xiǎn)場(chǎng)合，“總線供電”具有十分重要的意義。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的“總線供電”可采用以下方法：①將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端再將信號(hào)分離出來。②不改變以太網(wǎng)物理層協(xié)議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。第一種方法雖然可實(shí)現(xiàn)與FF等現(xiàn)場(chǎng)總線相一致的“一線二用”，但由于這種方法與傳統(tǒng)以太網(wǎng)在物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)在形式上已不一致，應(yīng)保證修改協(xié)議后的以太網(wǎng)在物理層上與傳統(tǒng)Ethernet兼容。
在易燃、易爆的場(chǎng)合，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備以及通信設(shè)備都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆技術(shù)主要包括兩類，即隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質(zhì)安全型。以太網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)安全包括幾個(gè)方面，即工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六、七十毫安(5伏工作電源)，基于以太網(wǎng)的低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和交換機(jī)設(shè)計(jì)比較困難。相比較而言，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。即通過對(duì)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的電火能量不會(huì)外泄，以保證系統(tǒng)使用的安全性。
(6)互可操作性
互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換。要解決基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互可操作性問題，一種有效的方法就是在以太網(wǎng)+TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，同時(shí)可參IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層上增加用戶層，將工業(yè)控制中的功能塊FB(Function Block)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，通過規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)，并把它們組成為可在某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進(jìn)程，便于實(shí)現(xiàn)不同制造商設(shè)備的混合組態(tài)與調(diào)用。
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(1)工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性
為滿足工業(yè)過程控制要求，工業(yè)以太網(wǎng)必須具有很高的實(shí)時(shí)性。但是，長(zhǎng)期以來，Ethernet通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一，這里的“不確定”是指由CSMA/CD機(jī)制造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)和時(shí)延的“不可預(yù)測(cè)和再現(xiàn)”。
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(3)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存性
所謂網(wǎng)絡(luò)生存性，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，必須具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可用性，如果任何一個(gè)系統(tǒng)組件發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序以至于整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力非常弱。工業(yè)以太網(wǎng)的生存性或高可用性包括可靠性、可恢復(fù)性、可管理型等三幾個(gè)方面的內(nèi)容。
在工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的可靠性非常重要，需要采取冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須有一個(gè)快速的故障探測(cè)和自恢復(fù)機(jī)制以保障網(wǎng)絡(luò)的可用性。首先CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，故障探測(cè)和自恢復(fù)機(jī)制必須是快速響應(yīng)的，如果網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)，就不能保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。其次，必須限制網(wǎng)絡(luò)故障的傳播，將其對(duì)其他傳輸設(shè)備和網(wǎng)段的影響最小化，即除故障點(diǎn)外，其它網(wǎng)段仍能正常工作。
在透明的交換式以太網(wǎng)中，故障探測(cè)和自恢復(fù)工作實(shí)際上就是在該層重新建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)在MAC層的路由功能。目前普遍使用是IEEE802.1D標(biāo)準(zhǔn)。在局域網(wǎng)內(nèi)的交換機(jī)執(zhí)行了生成樹算法以后，會(huì)組成一個(gè)動(dòng)態(tài)的生成樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個(gè)工作站之間不存在回路，以防止由此產(chǎn)生的局域網(wǎng)廣播風(fēng)暴，同時(shí)，生成樹算法還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，并能在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化之后建立新的生成樹。例如當(dāng)一個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障或某一條鏈路斷了后，能提供一定的容錯(cuò)能力而重新配置生成樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)根據(jù)生成樹動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息來維護(hù)和更新MAC路由表，最終實(shí)現(xiàn)MAC層的路由。
(4)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全
以太網(wǎng)和TCP/IP的優(yōu)勢(shì)在于其在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及良好的開放性，同時(shí)也更容易受到自身技術(shù)缺點(diǎn)和人為的攻擊。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，安全問題需考慮來自內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面，其安全功能需滿足：防范來自外部網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊，限制外部網(wǎng)絡(luò)非信任終端對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源的訪問，防止來自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的攻擊以及對(duì)控制域資源的非授權(quán)訪問，提供工程人員和設(shè)備供應(yīng)商遠(yuǎn)程故障診斷和技術(shù)支持的保障機(jī)制。內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的安全主要是防止本地用戶對(duì)設(shè)備控制域系統(tǒng)的非法訪問，外網(wǎng)絡(luò)安全則是防止外部非法用戶訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的資源和非法向外傳遞內(nèi)部信息，保證企業(yè)內(nèi)外通信的保密性、完成性和有效性。
在工業(yè)以太網(wǎng)中可以采取的基本安全技術(shù)主要有三個(gè)方面，即加密技術(shù)、鑒別交換技術(shù)和訪問控制技術(shù)，防火墻技術(shù)就是訪問控制技術(shù)的一種具體體現(xiàn)。
(5)總線供電與安全防爆技術(shù)
所謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源?？偩€供電可以減少網(wǎng)絡(luò)線纜，降低安裝復(fù)雜性與費(fèi)用，提高網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的易維護(hù)性。特別是在環(huán)境惡劣與危險(xiǎn)場(chǎng)合，“總線供電”具有十分重要的意義。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的“總線供電”可采用以下方法：①將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端再將信號(hào)分離出來。②不改變以太網(wǎng)物理層協(xié)議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。第一種方法雖然可實(shí)現(xiàn)與FF等現(xiàn)場(chǎng)總線相一致的“一線二用”，但由于這種方法與傳統(tǒng)以太網(wǎng)在物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)在形式上已不一致，應(yīng)保證修改協(xié)議后的以太網(wǎng)在物理層上與傳統(tǒng)Ethernet兼容。
在易燃、易爆的場(chǎng)合，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備以及通信設(shè)備都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆技術(shù)主要包括兩類，即隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質(zhì)安全型。以太網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)安全包括幾個(gè)方面，即工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六、七十毫安(5伏工作電源)，基于以太網(wǎng)的低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和交換機(jī)設(shè)計(jì)比較困難。相比較而言，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。即通過對(duì)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的電火能量不會(huì)外泄，以保證系統(tǒng)使用的安全性。
(6)互可操作性
互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用，性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換。要解決基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互可操作性問題，一種有效的方法就是在以太網(wǎng)+TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，同時(shí)可參IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層上增加用戶層，將工業(yè)控制中的功能塊FB(Function Block)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，通過規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)，并把它們組成為可在某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進(jìn)程，便于實(shí)現(xiàn)不同制造商設(shè)備的混合組態(tài)與調(diào)用。
