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工業(yè)Ethernet在遠(yuǎn)程實時控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用
隨著現(xiàn)代工廠信息自動化進(jìn)程的加快，企業(yè)逐漸將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結(jié)合起來，實現(xiàn)企業(yè)資源規(guī)劃ERP（Enterprise Resource Planning）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution system）、生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）三層信息一體化的解決方案。在PCS設(shè)計過程中，通常采用的是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）。但由于現(xiàn)場總線相互之間兼容性差、生產(chǎn)現(xiàn)場自控設(shè)備的種類繁多，導(dǎo)致不同的總線產(chǎn)品之間無法實現(xiàn)互連、互換、統(tǒng)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(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)中，將價廉物美的Ethernet設(shè)備應(yīng)用到現(xiàn)場控制網(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)實現(xiàn)工廠信息自動化的案例。
1 工業(yè)Ethernet技術(shù)及其在工業(yè)中應(yīng)用的改進(jìn)[3～4]
現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)要求具有較強的實時性。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(yīng)用。
（1）將傳統(tǒng)的總線式結(jié)構(gòu)改為星形連接結(jié)構(gòu)，并為連接在端口上的每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供獨立的帶寬，使連接在同一交換機的不同節(jié)點之間不存在資源爭奪，降低總線上數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的次數(shù)，增加系統(tǒng)的確定性；
（2）采用數(shù)據(jù)交換技術(shù)，以提供數(shù)據(jù)緩沖、提高數(shù)據(jù)網(wǎng)段的智能，降低數(shù)據(jù)沖撞和重發(fā)概率；
（3）采用TCP/IP協(xié)議，確保數(shù)據(jù)安全可靠到達(dá)接收方。在網(wǎng)絡(luò)鏈路層中所有硬件對TCP/IP的應(yīng)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(shù)據(jù)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(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)信息拆分為固定格式的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包按一定的路徑傳輸?shù)降慕邮辗�，然后在接收方將�?shù)據(jù)包分解并重新組合成原始的數(shù)據(jù)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在相同的通信量的條件下網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，而網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕又意味著網(wǎng)絡(luò)確定性的提高。目前，100M甚至1000M的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)已在局域網(wǎng)、城域網(wǎng)中普遍應(yīng)用，10000M正在研制之中，為工業(yè)Ethernet奠定了堅實的基礎(chǔ)。
（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(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，采用帶屏蔽的雙絞線或光纖通信方式是解決此問題行之有效的方法。
可以說，工業(yè)Ethernet向控制層通信滲透、應(yīng)用于過程自動經(jīng)的監(jiān)控級、與FCS融合使用已成必然，同時它還可解決大規(guī)模系統(tǒng)中實時性和可靠性之間的矛盾。
2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
（1）一個網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)最為重要的是要具很強的安全性。如果一個企業(yè)的Intranet和Infranet受到惡意攻擊，造成生產(chǎn)過程的中斷或者生產(chǎn)過程事故，將會造成比金融、電子貿(mào)易等網(wǎng)絡(luò)受到攻擊時更為嚴(yán)重的災(zāi)難，因此在設(shè)計時將網(wǎng)絡(luò)安全性考慮放到第一位。本設(shè)計采用的是具有身份鑒別和報文鑒別特性的數(shù)字簽名、加密解密技術(shù)，同時加入防火墻，而不采用通過操作密碼登陸Intranet來賦予不同操作人員的權(quán)限方法；
（2）采用基于B/S（Browser/Server）和TCP/IP框架構(gòu)成Web Client以及Terminal Server Client方式進(jìn)行遠(yuǎn)程實時生產(chǎn)過程監(jiān)控和在線檢測設(shè)備健康狀態(tài)，實現(xiàn)了車間的測、控、管的統(tǒng)一，真正實現(xiàn)了工廠信息自動化；
（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控通過Interent方式實現(xiàn)，而不是通過電話線撥號登陸方式直接與設(shè)備相連，從而改善了以往遠(yuǎn)程監(jiān)控通過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(xiàn)象；
（4）使用免IP地址協(xié)議技術(shù)。由于設(shè)計中采用了Web Client和Terminal Client并使用了Internet方式，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控必須為Web Server或Terminal Server設(shè)定IP地址。而在Internet上申請一個固定的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(shè)計成本。
3 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)與實施
系統(tǒng)組成框圖與網(wǎng)絡(luò)布線見圖1所示。
整個車間采用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(tǒng)。而在整個廠級的網(wǎng)絡(luò)，從當(dāng)前的100M快速以態(tài)網(wǎng)升級為ATM網(wǎng)，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各部門交換機采用622M ATM接口與主交換機相聯(lián)，科室與大部門之間通過155M ATM接口與主交換機相聯(lián)，網(wǎng)管工作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過100M以態(tài)網(wǎng)接口直接與主交換機相聯(lián)，各部門服務(wù)器通過100M以態(tài)網(wǎng)接口與部門交換機相聯(lián)。各部門的其它節(jié)點通過Corebuilder 3300交換機接收部門交換機上。主交換機與部門交換機之間通過光纖連接，其它用雙絞線連接。
3.1 B/S（Bowser/Server）模式
為了防止車間級大量的實時在線檢測和控制信號發(fā)生瓶頸效應(yīng)、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)展而來的。在B/S模式中，用戶的業(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，客戶端還進(jìn)一步“瘦”到只有瀏覽器，極大地減輕了客戶端的負(fù)擔(dān)和維護(hù)量。從根本上說，B/S模式將C/S模式從二級結(jié)構(gòu)升級為三級結(jié)構(gòu)，使邏輯更為清晰合理。B/S模式帶來的優(yōu)點是：
（1）使用簡單、易于維護(hù)；
（2）保護(hù)企業(yè)投資 由于B/S模式采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP、HTTP協(xié)議，它可以與企業(yè)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)很好地結(jié)合；
（3）信息共享度高 HTML是數(shù)據(jù)格式的一個開放標(biāo)準(zhǔn)，同時采用MIME（Multipurpose Internet Mail Extension protocol）技術(shù)，使Browser可訪問多種格式文件；
（4）擴展性好 TCP/IP、HTTP的標(biāo)準(zhǔn)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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