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发表于：2002-10-28 12:17:00
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浅谈以太网应用于工业现场的关键技术
冯冬芹 金建祥 褚健
本文作者冯冬芹先生，浙江大学先进控制研究所博士、副教授，浙江浙大中控技术有限公司总工助理；金建祥先生，浙江浙大中控技术有限公司常务副总裁、浙江大学先进控制研究所教授、副所长；褚健先生，浙江大学先进控制研究所教授、所长，浙江大学工业控制技术重点实验室主任。
关键词：以太网 工业现场 关键技术
一 引言
现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全可互操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向之一。然而就目前情况来看，现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要的是没有一个统一的国际标准(目前的现场总线国际标准IEC 61158，包含了8种不同类型的现场总线，因此可以说没有标准)，并且由于支持各总线的集团间的利益冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互联非常困难。这不但使FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，而且确实给用户的使用带来很大的不便，因此给现场总线技术的推广以及现场总线控制系统的应用带来不利的影响。
与此形成鲜明对比的是，以太网(Ethernet)技术在没有任何标准化组织支持的情况下却发展得非常迅速。以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，不但基本垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域(主要是在企业管理层)也得到了大规模的应用。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层的通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。
那么，以太网能否直接应用于工业现场设备间的通信呢？
二 以太网的优势
以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。
与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点。
(1)应用广泛
以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如Java、Visual C++、Visual Basic等。这些编程语言由于得到广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境可供选择。
(2)成本低廉
由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，已有多种硬件产品可供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的1/10，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。
(3)通信速率高
目前以太网的通信速率为10Mb/s，100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1000Mb/s以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s以太网亦正在研究。其速率比目前的现场总线快得多。以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。
(4)软硬件资源丰富
由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
(5)可持续发展潜力大
由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入；并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程序上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。这一点是任何现有现场总线技术所无法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通信协议有更高的灵活性。这些要求以太网都能很好地满足。
三 以太网应用于工业现场的关键技术
正是由于以太网具有上述优势，使得它受到越来越多的关注。但如何利用COTS(Commercial Off-The Shelf)技术来满足工业控制需要，是目前迫切需要解决的问题，这些问题包括通信实时性、现场设备的总线供电、本质安全、远距离通信、可互操作性等，它们直接影响以太网在现场设备中的应用。
1. 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。
众所周知，以太网采用冲突检测载波监听多点访问(CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)机制解决通信介质层的竞争。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将在网络上发生冲突，因此每个节点在发送时，还必须继续监听网络；当检测到两个或更多个报文之间出现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送；该随机时间将由标准二进制指数补偿算法确定；重发前的时间在0~(2i－1)的时间片中随机选择(此处i代表被节点检测到的第i次碰撞事件)，一个时间片为重发循环所需的最小时间；但是，在10次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片(即1023)上，16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。
以太网的这种机制导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。
随着互联网技术的发展和大面积推广应用，以太网也得到了迅速发展，使通信确定性和实时性得到了增强。
首先，在网络拓扑上，采用星型连接代替线性结构，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段(Segment)。在每个网段上，以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接起来。这样，挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域(Collision Domain)，每个冲突域均采用CSMA/CD机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大减小。
其次，使用以太网交换技术，将网络冲突域进一步细化。用交换式集线器代替共享式集线器，使交换机各端口之间可以同时形成多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会在其他端口上广播，端口之间信息报文的输入和输出已不再受到CSMA/CD介质访问控制协议的约束。因此，在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。
再次，采用全双工通信技术，可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA/CD的约束，这样任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。
总之，采用星型网络结构、以太网交换技术，可以大大减少(半双工方式)或完全避免碰撞(全双工方式)，从而使以太网的通信确定性大大增强，并为以太网技术应用于工业现场控制清除了主要障碍。
此外，通过降低网络负载和提高网络传输速率，可以使传统共享式以太网上的碰撞大大降低。实际应用经验表明，对于共享式以太网来说，当通信负荷在25%以下时，可保证通信畅通；当通信负荷在5%左右时，网络上碰撞的概率几乎为零。由于工业控制网络与商业网不同，每个节点传送的实时数据量很少，一般仅为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此完全可以通过限制每个网段站点的数目，降低网络信息流量。同时，使用UDP通信协议，可以充分保证报文传输的有效载荷，避免不必要的填充域数据在网络上传输所占用的带宽，使网络保持在轻负荷工作条件下，就可以使网络传输的实时性进一步得到保证。
对于紧急事务信息，则可以根据IEEE802.3p&q，应用报文优先级技术，使优先级高的报文先进入排队系统，先接受服务。通过这种优先级排序，使工业现场中的紧急事务信息能够及时成功地传送到中央控制系统，以便得到及时处理。
2. 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。特别是在环境恶劣与危险场合，总线供电具有十分重要的意义。由于Ethernet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)本身已具备电源供电，没有总线供电的要求，因此传输媒体只用于传输信息。
对现场设备的总线供电可采用以下方法。
方法一：在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。
采用这种方法时必须注意，修改协议后的以太网应在物理层上与传统以太网兼容。
方法二：不改变目前以太网的物理层结构，即应用于工业现场的以太网仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源。
相比而言，第一种方法虽然
发表于：2002-10-16 17:51:00
9楼
1、实时性问题
实时性问题，这个问题其实不是问题，实时的第一概念是及时性，需要在给定的时间要求内给出是与否，那么即使在线路质量较差的情况下也可以通过上层协议来控制。如果对可靠性有要求，环路以太网或者网状结构都是很成熟的技术。当然现在的全双工技术的出现使得工控领域的阁老们没有了借口，不过全双工以太网还是传统的以太网吗？（注意信道共享）
2、互操作性
工控领域原来有应用层可以互操作的规范吗？如果没有，那么跟tcp/ip没有关系，他本来定义的就是下三层的东西。
3、网络生存性
难道是以太网技术的问题吗？正好相反，以太网的生存性很好。可靠性可以通过组网方式来解决，可维护性：以太网支持多种网管方式。
4、网络安全性
连入internet导致网络安全问题，那么原来的工控系统联入internet了吗，如果没有连，远距离传输就得用专线，那么以太网联入专线如何，还会有安全问题吗？所以安全问题不是以太网的问题，是由于使用了以太网使我们有了进一步降低成本的选择之后出现的问题
5、远距离传输
事实上任何系统都存在远距离传输的问题，而以太网的远距离传输已经做得很好了，你可以选择多种介质，而使用光纤进行收发目前来讲成本根本不高。
总结：
以太网在工控领域未能得到广泛使用的原因不是因为以太网有问题，实质的问题是从事工控领域的人员素质太低。多少人只知道汇编，不知道c,根本不要谈tcp/ip.如果用了tcp/ip，就要上嵌入式操作系统，那更加不要谈了，一则国内没有，国外的价格贵，同时硬件平台的复杂性也上去了，他们才懒得搞。另外写驱动，写协议，写bsp有几个人会？232，485大行其道的原因，反映人类的惰性，写两句汇编（可能已经写了成百上千次了），噗的一声！一个"a"就发出去了，简单！
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