现场总线与工业以太网及其应用

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：控制网络不同于一般的信息网络，控制网络主要用于生产、生活设备的自动控制，对生产过程状态进行检测、监视与控制。

1.信息网络与控制网络的区别

信息网络与控制网络的主要区别如下：

1）控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0.01～0.5s；制造自动化系统的响应时间要求为0.5～2.0s；信息网络的响应时间要求为2.0～6.0s。在信息网络的大部分使用中，实时性是被忽略的。

2）控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网络应具有在高温、潮湿、震动、腐蚀、电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在易燃易爆场合，控制网络还具有本质安全性能。但信息网络没有上述严格的要求。

3）在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中，某个自主系统与另一个自主系统一般都使用一对一通信方式。

4）控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的互操作问题；信息网络没有这个要求。

2.信息网络与控制网络的互连

只要给智能设备进行IP地址编址，并安装Web服务器，便可以获得测量控制设备的参数，人们也就可以通过Internet与智能设备进行交互。

在计算机网络技术的推动下，控制系统向开放性、智能化与网络化方向发展，产生了控制网络Infranet。在此之前，基于Web的信息网络Intranet成为企业内部信息网的主流。相对而言，控制网络是一个新技术，其相关技术还正在发展中。

（1）互连的基础和必要性

Intranet有简单易用的通用标准，WWW和浏览器使用户越过复杂的技术而获得Intranet的益处。Infranet只有在建立通用标准和协议之后，才能真正进入市场。LonWorks可以实现Intranet与Infranet的互连。Infranet在技术上依赖于Internet，而Infranet对自身要求较特殊，控制网络相对较小，成本低，网络流通量的需求减少，响应时间短等。通过建立控制所需的优化、可靠的网络平台，把智能设备接入，即可实现将家庭、办公室和企业连成一体的分布式控制网络。企业内部控制网络与信息网络既相互独立又相互联系，为企业生产传递信息，并为生产控制、计划决策、销售管理提供全面信息服务，Infranet与Intranet的互连为企业综合自动化（Computer Integrated Plant Automation，CIPA）提供了条件，它们的互连是网络未来的发展趋势。如何实现Infranet与Intranet的无缝连接以满足企业的需要，是网络技术的热点问题。

信息网络与控制网络互连具有以下重要意义：

1）控制网络与企业网络之间互连，建立综合实时的信息库，有利于管理层的决策。

2）现场控制信息和生产实时信息能及时在企业网内交换。

3）建立分布式数据库管理系统，使数据保持一致性、完整性和互操作性。

4）对控制网络进行远程监控、远程诊断和维护等，节省大量的投资和人力。

5）为企业提供完善的信息资源，在完成内部管理的同时，加强与外部信息的交流。

（2）互连的技术特点

信息网络与控制网络可以通过网关或路由器进行互连。由于控制网络的特殊性，其互连的网关、路由器与一般商用网络不同，它要求容易实现IP地址编址，能方便地实现Infranet与Intranet之间异构网的数据格式转换等。因此，开发高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器产品是目前的迫切任务。

控制网络不同于一般的信息网络，控制网络主要用于生产、生活设备的自动控制，对生产过程状态进行检测、监视与控制。它有自身的技术特点：

1）要求节点有高度的实时性。

2）容错能力强，具有高可靠性和安全性。

3）控制网络协议实用、简单、可靠。

4）控制网络结构的分散性。(www.chuimin.cn)

5）现场控制设备的智能化和功能自治性。

6）网络数据传输量小和节点处理能力需要减小。

7）性能价格比高。

3.信息网络与控制网络的集成

控制网络与信息网络集成的目标是实现管理与控制一体化的、统一的、集成的企业网络。企业要实现高效率、高效益、高柔性，必须有一个高效的、统一的企业网络支持。

实现控制网络与信息网络的无缝集成，形成一个统一的、集成的企业网络的策略如下：

1）将信息网络与自动化层的控制网络统一组网，融为一体。然后通过路由器与设备层控制网络（如现场总线控制网络）进行互连，从而形成统一的企业网络。

2）各现场设备的控制功能由嵌入式系统实现，嵌入式系统通过网络接口接入控制网络。该控制网络与信息网络统一构建，从而形成集成的企业网络。

控制网络与信息网络的集成技术主要有：

1）控制网络与信息网络集成的互连技术。一般来说，控制网络与信息网络是两类具有不同功能、不同结构和不同形式的网络。实现控制网络与信息网络的互连是控制网络与信息网络集成的基本技术之一。通常采用的网络互连方法有网关和路由器；通常采用的网络扩展方法有网桥和中继器。Web技术在控制网络与信息网络互连中已得到实际应用。

2）控制网络与信息网络集成的远程通信技术。远程通信技术有：利用调制解调器的数据通信、基于TCP/IP的远程通信，包括应用TCP/IP中的FTP协议和PPP协议。

3）控制网络与信息网络集成的动态数据交换技术。当控制网络与信息网络有一共享工作站或通信处理机时，可通过动态数据交换技术实现控制网络中实时数据与信息网络中数据库数据的动态交换，从而实现控制网络与信息网络的集成。

4）控制网络与信息网络集成的数据库访问技术。信息网络一般采用开放数据库系统，这样通过数据库访问技术可实现控制网络与信息网络的集成。信息网络Intranet的一个浏览器接入控制网络，基于Web技术，通过该浏览器可与信息网络数据库进行动态、交互式的信息交换，实现控制网络与信息网络的集成。

为了更好地实现信息网络与控制网络的集成，解决现场总线不足的问题，除了继续研究现有的现场总线控制网络技术外，还需要不断地研究控制网络的新技术，如工业以太网络和分布式控制网络等。

工业以太网络进军自动化领域，并占据了一定的控制网络市场，形成与现场总线控制网络的竞争态势。

1）工业以太网络正在工业自动化和过程控制市场迅速增长。

2）工业以太网是目前应用最广泛的局域网技术之一，它具有开放性、低成本和广泛应用的软硬件支持等明显优势。以太网是很有发展前景的一种现场控制网络。

3）工业以太网络最典型的应用形式是Ethernet+TCP/IP，即底层是Ethernet，网络层和传输层采用TCP/IP。

4）随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的发展，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器将方便地接入以太控制网络，直至与Internet相连。预计工业以太网络将最终到达所有传感器和执行器。

5）Web技术和Ethernet技术的结合，将实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。

6）工业以太网络容易与信息网络集成，组建统一的企业网络。

此外，分布式控制网络已呈快速发展的势头，迅速在各类工程应用中发展。但目前尚有一些技术问题有待解决。实现分布式控制网络的关键是研究分布式控制网络的工业标准和满足分布式控制网络技术要求的路由器和网关。

现场总线与工业以太网及其应用

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