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工業(yè)Ethernet在遠程實(shí)時(shí)控制系統中的具體應用
隨著(zhù)現代工廠(chǎng)信息自動(dòng)化進(jìn)程的加快，企業(yè)逐漸將管理、決策、市場(chǎng)信息和現場(chǎng)控制信息結合起來(lái)，實(shí)現企業(yè)資源規劃ERP（Enterprise Resource Planning）、生產(chǎn)執行系統MES（Manufacturing Execution system）、生產(chǎn)控制系統PCS（Process Control System）三層信息一體化的解決方案。在PCS設計過(guò)程中，通常采用的是現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS（Fieldbus Control System）。但由于現場(chǎng)總線(xiàn)相互之間兼容性差、生產(chǎn)現場(chǎng)自控設備的種類(lèi)繁多，導致不同的總線(xiàn)產(chǎn)品之間無(wú)法實(shí)現互連、互換、統一組態(tài)及互操作；而Ethernet具有通用性強、技術(shù)成熟、帶寬迅速增加等特性。在現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )中，將價(jià)廉物美的Ethernet設備應用到現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )已成為必然趨勢。本文將闡述利用工業(yè)Ethernet技術(shù)和FCS融合技術(shù)實(shí)現工廠(chǎng)信息自動(dòng)化的案例。
1 工業(yè)Ethernet技術(shù)及其在工業(yè)中應用的改進(jìn)[3～4]
現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )要求具有較強的實(shí)時(shí)性。而Ethernet由于采用的是CSMA/CD協(xié)議，使其天生缺乏確定性（Determinism）和魯棒性（Robustness），必須對其進(jìn)行改進(jìn)方可應用。
（1）將傳統的總線(xiàn)式結構改為星形連接結構，并為連接在端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)提供獨立的帶寬，使連接在同一交換機的不同節點(diǎn)之間不存在資源爭奪，降低總線(xiàn)上數據發(fā)生碰撞的次數，增加系統的確定性；
（2）采用數據交換技術(shù)，以提供數據緩沖、提高數據網(wǎng)段的智能，降低數據沖撞和重發(fā)概率；
（3）采用TCP/IP協(xié)議，確保數據安全可靠到達接收方。在網(wǎng)絡(luò )鏈路層中所有硬件對TCP/IP的應用是透明的，TCP為傳輸控制協(xié)議，而IP為網(wǎng)際協(xié)議。TCP/IP為數據傳輸提供了可靠的、面向連接的通信，它位于ISO/OSI模型中的網(wǎng)絡(luò )層，負責將數據信息拆分為固定格式的數據包，并將數據包按一定的路徑傳輸到的接收方，然后在接收方將數據包分解并重新組合成原始的數據信息。
（4）提高Ethernet通信速率，以進(jìn)一步增強其確定性。通信速率的提高意味著(zhù)在相同的通信量的條件下網(wǎng)絡(luò )負荷的減輕，而網(wǎng)絡(luò )負荷的減輕又意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )確定性的提高。目前，100M甚至1000M的自適應網(wǎng)絡(luò )已在局域網(wǎng)、城域網(wǎng)中普遍應用，10000M正在研制之中，為工業(yè)Ethernet奠定了堅實(shí)的基礎。
（5）增強Ethernet接插件、交換機、通信電纜等抗干擾能力。由于工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，采用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)或光纖通信方式是解決此問(wèn)題行之有效的方法。
可以說(shuō)，工業(yè)Ethernet向控制層通信滲透、應用于過(guò)程自動(dòng)經(jīng)的監控級、與FCS融合使用已成必然，同時(shí)它還可解決大規模系統中實(shí)時(shí)性和可靠性之間的矛盾。
2 設計關(guān)鍵技術(shù)
（1）一個(gè)網(wǎng)絡(luò )測控系統最為重要的是要具很強的安全性。如果一個(gè)企業(yè)的Intranet和Infranet受到惡意攻擊，造成生產(chǎn)過(guò)程的中斷或者生產(chǎn)過(guò)程事故，將會(huì )造成比金融、電子貿易等網(wǎng)絡(luò )受到攻擊時(shí)更為嚴重的災難，因此在設計時(shí)將網(wǎng)絡(luò )安全性考慮放到第一位。本設計采用的是具有身份鑒別和報文鑒別特性的數字簽名、加密解密技術(shù)，同時(shí)加入防火墻，而不采用通過(guò)操作密碼登陸Intranet來(lái)賦予不同操作人員的權限方法；
（2）采用基于B/S（Browser/Server）和TCP/IP框架構成Web Client以及Terminal Server Client方式進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程監控和在線(xiàn)檢測設備健康狀態(tài)，實(shí)現了車(chē)間的測、控、管的統一，真正實(shí)現了工廠(chǎng)信息自動(dòng)化；
（3）遠程監控通過(guò)Interent方式實(shí)現，而不是通過(guò)電話(huà)線(xiàn)撥號登陸方式直接與設備相連，從而改善了以往遠程監控通過(guò)Modem造成的成本費用高、工作效率低、可用性不高以及傳輸速率低的現象；
（4）使用免IP地址協(xié)議技術(shù)。由于設計中采用了Web Client和Terminal Client并使用了Internet方式，實(shí)現遠程監控必須為Web Server或Terminal Server設定IP地址。而在Internet上申請一個(gè)固定的IP地址費用十分昂貴，采用免IP地址協(xié)議技術(shù)，大大降低了企業(yè)的設計成本。
3 系統設計技術(shù)與實(shí)施
系統組成框圖與網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)見(jiàn)圖1所示。
整個(gè)車(chē)間采用100M快速以態(tài)網(wǎng)為主干，100M到桌面的快速以態(tài)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )系統。而在整個(gè)廠(chǎng)級的網(wǎng)絡(luò )，從當前的100M快速以態(tài)網(wǎng)升級為ATM網(wǎng)，系統采用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。各部門(mén)交換機采用622M ATM接口與主交換機相聯(lián)，科室與大部門(mén)之間通過(guò)155M ATM接口與主交換機相聯(lián)，網(wǎng)管工作站、數據庫服務(wù)器通過(guò)100M以態(tài)網(wǎng)接口直接與主交換機相聯(lián)，各部門(mén)服務(wù)器通過(guò)100M以態(tài)網(wǎng)接口與部門(mén)交換機相聯(lián)。各部門(mén)的其它節點(diǎn)通過(guò)Corebuilder 3300交換機接收部門(mén)交換機上。主交換機與部門(mén)交換機之間通過(guò)光纖連接，其它用雙絞線(xiàn)連接。
3.1 B/S（Bowser/Server）模式
為了防止車(chē)間級大量的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測和控制信號發(fā)生瓶頸效應、阻塞網(wǎng)絡(luò )，采用B/S模式，它是借助于HTTP協(xié)議和Web技術(shù)，由C/S（Client/Server）模式不斷改進(jìn)發(fā)展而來(lái)的。在B/S模式中，用戶(hù)的業(yè)務(wù)邏輯可以放在Web服務(wù)器上，使網(wǎng)絡(luò )流量大大降低；同時(shí)，客戶(hù)端還進(jìn)一步“瘦”到只有瀏覽器，極大地減輕了客戶(hù)端的負擔和維護量。從根本上說(shuō)，B/S模式將C/S模式從二級結構升級為三級結構，使邏輯更為清晰合理。B/S模式帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是：
（1）使用簡(jiǎn)單、易于維護；
（2）保護企業(yè)投資 由于B/S模式采用標準的TCP/IP、HTTP協(xié)議，它可以與企業(yè)的現有網(wǎng)絡(luò )很好地結合；
（3）信息共享度高 HTML是數據格式的一個(gè)開(kāi)放標準，同時(shí)采用MIME（Multipurpose Internet Mail Extension protocol）技術(shù)，使Browser可訪(fǎng)問(wèn)多種格式文件；
（4）擴展性好 TCP/IP、HTTP的標準性使得B/S模式可直接連入Internet，具有良好的擴展性；
（5）安
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