互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

  7.3.5 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢
  由于以太網(wǎng)的迅速擴(kuò)大，TCP/IP協(xié)議已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，又由于PC機(jī)、工業(yè)PC機(jī)已成為企業(yè)的主流機(jī),企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)也已完全被以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)所影響，多層分布式子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)已逐漸被以太網(wǎng)所替代。將現(xiàn)場總線通過通信控制器直接掛接到Ethernet上，是目前企業(yè)普遍采用的方法。雖然較之過去的多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡潔得多，但從本質(zhì)上講這種網(wǎng)絡(luò)仍是離散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的真正無縫結(jié)合，另外，網(wǎng)絡(luò)的速度也難以提高。
  21世紀(jì)是信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時代，在未來幾年里信息量估計(jì)要增加10-30倍，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咚傩栽诠I(yè)控制中越來越重要。隨著嵌人技術(shù)的發(fā)展和以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，基于Ethernet+TCP/IP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生，基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)使網(wǎng)絡(luò)成為透明的、覆蓋整個企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體,代表了新一代控制網(wǎng)絡(luò)的必然趨勢。
  1）基于Ethernet+TCP/IP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
  工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設(shè)備層。需要注意的是，由于企業(yè)的三層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和對實(shí)時性的要求不同，所以雖然從上到下都是工業(yè)以太網(wǎng)，但在不同層次之間還需設(shè)置路由器或網(wǎng)橋。使用路由器可以阻斷以太網(wǎng)上的廣播信息，但如果所選擇的路由器速度太慢，則會形成傳輸?shù)钠款i。
  用Ethernet和TCP/IP技術(shù)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)平臺，就是在現(xiàn)場測控單元、現(xiàn)場智能儀表或者智能傳感器中實(shí)現(xiàn)Ethernet和TCP/IP功能，使它們能夠直接成為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，就近連接到企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中去，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理信息網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)過程測控子網(wǎng)的一體化，這樣，企業(yè)內(nèi)部的管理工作站或者遠(yuǎn)程工作站就可以通過Intranet或者Internet直接監(jiān)視這些設(shè)備，并可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的操作管理。如工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場具有Ethernet接口和TCP/IP功能的測控儀表可以直接連接到企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中去。
  圖7-10為一個基于現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和基于工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖的比較：
  傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)如圖7-10(a)所示，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)功能和目的的不同主要分為管理層、監(jiān)控層、設(shè)備層三層，這三個功能層具有獨(dú)立的功能，它們通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。各層功能如下：
  ①管理層。企業(yè)管理層可以透過網(wǎng)絡(luò)直接接受工廠端反饋的生產(chǎn)過程控制信息，而工廠控制端也可以直接接受來自管理層的信息指導(dǎo),工業(yè)生產(chǎn)過程就可以變得透明，使不同職能部門可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。這樣就使得企業(yè)管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化、基于網(wǎng)絡(luò)自動化的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。
  ②監(jiān)控層。從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測、報(bào)警和趨勢分析,控制的設(shè)計(jì)和實(shí)施等功能。監(jiān)控層的功能一般由上位計(jì)算機(jī)完成，一方面，它通過擴(kuò)展槽中網(wǎng)絡(luò)接口板與現(xiàn)場總線相連，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信；另一方面，通過專門的現(xiàn)場總線接口（轉(zhuǎn)換器)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接。其關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)與底層現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)間的接口，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換,保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。監(jiān)控層除了上述功能外，還為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制和遠(yuǎn)程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。
  ③設(shè)備層?，F(xiàn)場設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上，依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制等各種功能。
  而如今的控制網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)Ethernet已把傳統(tǒng)的企業(yè)層和監(jiān)控集成為一體，將以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議應(yīng)用于土業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，如圖7-10(b)所示，控制器、PLC和DCS上下層之間使用統(tǒng)一的協(xié)議，通信廠商也已經(jīng)開始提供以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)從最底層到最上層的無縫鏈接，由此可以解決從最底層直至最上層的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題,使數(shù)據(jù)傳輸速率更快，實(shí)時性更高，同時它可接人Internet,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使工廠高效率地運(yùn)轉(zhuǎn)。

  2）基于Ethernet+TCP/IP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
  基于Ethernet的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)：
  ①Ethernet貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)的各個層次,使現(xiàn)場層、控制層、管理層在垂直層得以方便集成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到實(shí)質(zhì)性的簡化，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合，是扁平化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，其良好的互聯(lián)性和可擴(kuò)展性使之成為一種真正意義上的全開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
  ②采用Ethernet作為土廣底層控制網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸主干，可解決一直困擾工業(yè)界的多種現(xiàn)場總線的兼容問題。
  ③通過授權(quán)IP地址，用戶可在任意Internet終端上實(shí)現(xiàn)對被控設(shè)備的訪問和控制。
  ④利用嵌人技術(shù)使Ethernet到達(dá)傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接。IP傳感器即是這一技術(shù)的典型應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備與Ethernet的通信。
  ⑤嵌入式Ethernet技術(shù)在工業(yè)過程控制中的一個重要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，將設(shè)備診斷技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合，用網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備在現(xiàn)場設(shè)備上建立狀態(tài)檢測點(diǎn)，使設(shè)備數(shù)據(jù)上網(wǎng)。在設(shè)備出現(xiàn)異常時，網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測點(diǎn)會通過網(wǎng)絡(luò)傳呼機(jī)、電子郵件等方式及時向工程師發(fā)出報(bào)警信息，對異?，F(xiàn)象作出響應(yīng)。
  ⑥遠(yuǎn)程瀏覽功能是系統(tǒng)的主要特性，采用B/SCBrowser/Server)方式，基于遠(yuǎn)程瀏覽器的客戶端/服務(wù)器方式。用戶只要在客戶端裝有瀏覽器.就可向網(wǎng)絡(luò)上的某一Web服務(wù)器提出請求，Web服務(wù)器對用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證后接受用戶的請求，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

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