覃述刚先生，昆明理工大学控制工程研究所硕士研究生；蔡翔云先生，教授；黄勇先生，硕士研究生。 关键词：控制网络　交换式以太网　分布式智能　延迟确定性 引言 现场总线技术的发展已极大地改善了企业控制系统的结构，但目前其在全开放、全分散控制等方面仍存在许多问题，也不可能在近期产生统一的现场总线标准。由于不少控制系统生产厂商并不提供真正的开放平台，目前比较普遍采用主从式等层次控制网络结构。这类层次结构的缺陷在于：从传感器等现场设备到主控器的数据传输必须经过不同CPU和驱动软件，其结果是传输速度低，缺乏透明度，软件和维护费用高；控制器间的数据通信不可能实现；组合的垂直与水平通信非常困难；没有广泛意义逻辑上集中的实体单元，所有控制器孤岛独立运行，数据交换仅以一定速度进行；每个控制器管理一束独立数据，不存在全局数据。而现代应用要求在控制网络内部的节点(如传感器和执行器)之间及其与Internet/Intranet之间实时地传输各种数据(如网络管理数据和应用数据)。可见，这种基于现场总线等技术的传统层次控制网络结构已不适应需求，即使在其中嵌入如工业PC、OPC和以太网技术，也只能对系统功能作些边缘性的提高，使系统更复杂。 另一方面，以太网(Ethernet)技术在没有任何标准化组织支持的情况下得到迅速发展。与现场总线相比，因其技术完全公开，很快地被大家所接受，并不断得到改进、提升，市场占有率越来越大，成本越来越低，进而变成主流，是目前应用最广泛的计算机网络技术。在网络结构方面，它铲除了传统的网络各层，任意网络节点间可平等直接通信。特别地，以太网交换技术能在很大程度上或完全弥补以太网介质访问机制(CSMA/CD)带来的不确定性，从而为其应用于工业现场控制清除了主要障碍，并为新一代控制系统(如分布式智能)的应用提供了通信网络平台，促进了控制系统体系结构的变革。 一 交换式以太网应用于工业现场的关键技术 1. 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”。 以太网用带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)机制作为其访问媒体控制协议。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，否则立即发送；如果两个或更多节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将产生冲突，因此每个节点在发送时仍需保持监听状态；当检测到冲突时，节点立即停止发送，进入后退延迟模式，即等待一个与被节点检测到的冲突次数k相关的随机长度的时间后重新发送。该随机时间由标准二进制指数补偿算法确定，即重发前的时间在(0，k*T)中随机选择。这里T为一个碰撞槽时间，其定义是网络中最远两个终端间的往返传输时间。根据概率理论很容易推知，竞争失败次数越多的节点对传输媒体获取成功访问控制的概率越小，容易产生“捕获效应”，其结果是某个以太网节点独占传输媒体，而其他网络节点无法传输数据；而且在一系列冲突后，报文可能会丢失。可见，这种机制难以确保控制系统所必需的通信确定性和实时性。 传统方法是用网桥或多端口网桥将冲突域细分，从而使每个冲突域的网络负荷和冲突概率大大减小。而交换式技术扩展了多端口网桥的功能，它能提供更多的端口(4～88个)、更好的性能、更强的管理功能，价格也更便宜。端口之间可同时形成多个数据通道，正在工作的端口上的信息不会在其他端口上扩散，端口之间信息报文的传输已不再受到CSMA/CD介质访问控制协议的约束。因此，每个端口被细分成一个冲突域，各个冲突域通过具有交换功能的交换机或交换式集线器实现了隔离。因冲突域在交换的端口和所连接的终端之间，所以串连级数不受限制。 对于被细分成的冲突域，有两种技术可解决其不确定性。第一，由于仅存在两个网络节点，因而可采用全双工通信技术，用两对双绞线(或两根光纤)进行通信，使它们可同时收发报文，从而也不再受CSMA/CD的约束。这样，交换式网络中的任一节点发送报文时不会再发生冲突，冲突域也就不复存在，也不会有“捕获效应”。第二，对于目前占多数(约90％)只支持半双工通信方式的以太网网卡，仍可能出现“捕获效应”，但通过改进CSMA/CD协议的后退算法和利用PACE交互访问技术可使交换式网络消除“捕获效应”。改进后的后退算法保证交换机端口和终端轮流发送数据，公平、均衡地访问传输媒体。这种轮流减少了不确定性，能把最大访问延迟限制在过程控制对实时性要求的范围(几毫秒到几十毫秒)内，典型值是5ms，还可根据特殊应用设置后退算法中的最大冲突次数以达到其所要求的最大延迟，极大地满足了实时应用的要求。与全双工通信相比，该技术提供的仍然是“软”实时性，因为在交换机端口传送大量数据到终端时，终端不能为即刻需要发送的数据获取对媒体的成功访问控制，但可通过限制最大延迟来弥补其不确定性以满足特殊的实时性要求。这种交互访问技术和标准以太网终端完全兼容，是3COM公司的专利技术，用户可根据具体应用要求选用。 对于紧急事务信息，可根据IEEE 802.3p&q，应用报文优先级技术，通过给紧要数据报文帧分配高优先级，使其先进入排队系统接受服务，从而使工业现场中的紧急事务信息及时成功地传送到控制节点并得到处理；或利用PACE服务分类技术和交互访问技术同时作用来保证实时信息流的及时传输。 综上所述，交换式以太网技术不但极大地提高了信道利用率，更重要的是它能屏蔽传统共享式以太网的时延不确定性，为应用于工业控制清除了主要障碍。然而，当交换式以太网规模扩大后,又出现了环路和广播风暴的问题。 2. 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网的健壮性和组网的方便性。 另一方面，交换式以太网的冲突域与广播域并不一致，即其广播域仍覆盖整个以太网的范围，容易导致广播风暴(如运行ARP协议)，大大降低了以太网的性能。如果交换式以太网的广播域太大，可采用VLAN技术(IEEE802.1Q)将其划分为若干个较小的广播子域，从而减轻以太网中广播报文造成的负担。而不同VLAN间的通信又促进了第三层交换技术的发展(理论上由路由器实现，但其性价比较低)，使第三层交换机成为真正能够实现大型交换式以太网的中继设备。它可不将广播报文扩散，直接利用动态建立的MAC地址来通信，具有组播和虚拟局域网间基于IP、IPX等协议的路由功能，且比路由器便宜得多，转发速率和吞吐率更高。 3. 对网络安全性的支持 目前工业以太网已把传统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，同时引入了一系列网络安全机制。除引进防火墙机制外，网络本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。对于前者，通过身份验证和传输加密的方式加以解决；对于后者，如果访问者由远程拨号通过服务器访问数据，可通过身份验证方式控制。如果通过交换机端口访问网络数据，还可提供3种层次的控制功能：(1)端口证实，一旦某端口被设置成保密方式，它只记录第一个进来的报文源MAC地址。以后凡与该MAC地址不符的报文将全部被丢弃，这样就防止了别的用户企图通过该端口访问网络数据。(2)虚拟网VLAN技术，交换式网络可任意把端口组合成不同虚拟网，同一虚拟网内的端口才能相互通信，不同虚拟网的端口如相互通信必须通过路由方式(由第三层交换机实现)。这样就可把具有相同权限的节点定义成一个虚拟网，不在该虚拟网内的节点不能随便访问其资源，达到了控制访问的目的。(3)报文过滤，即采用具有包过滤功能的交换机作为控制网络与外部网络的唯一接口和不同VLAN之间的路由器，根据过滤规则决定是否让数据包通过。网络安全的一个很重要步骤就是合理划分虚拟网，并在路由器中正确设置报文过滤规则。 4. 产业化的交换式控制网络 交换式以太网成功应用于工业现场的关键技术还包括总线供电、互操作性、网络可生存性、防爆技术和远距离传输等。尽管目前交换式以太网应用于工业控制领域仍面临很多困难，但随着其应用范围不断拓广深入，这些问题都将得到解决。现在所有国际自动化大厂的PLC、CNC皆提供Ethernet TCP/IP接口，美国量测系统大厂National Instrument(NI)也推出了Ethernet I/O产品(参考www.natinst.com/ethernet)。国际半导体协会SEMI所订定的半导体设备标准通信协议SECS(SEMI Equipment Communication Standard)也从RS-232实体层改建立在Ethernet TCP/IP之上，称为HSMS(High Speed Message Specification)(参考www.gwainc.com)。而美国一家专业自动化公司SISCO也将MAP应用层通信协议MMS(Manufacturing Message Specification)改建立在Ethernet TCP/IP之上(参考www. sisconet.com)。更引人瞩目的是，美国科动控制公司(www.ccontrols.com)和中国台湾MOXA公司(www.moxa.com. tw)等已推出性能优良的工业以太网交换机等设备