- 相關推薦
工業(yè)Ethernet在遠程實時控制系統(tǒng)中的具體應用
摘要：為實現企業(yè)ERP、MES、PCS三層信息一體化的集成以及不同總線產品之間的信息互連、互換、互操作和統(tǒng)一組態(tài)，提出了將工業(yè)Ethernet技術融合到FCS的觀點，并將其成功實施應用，取得了較好的經濟效果，實現了工廠信息自動化。闡述了系統(tǒng)設計的關鍵技術以及設計技巧。關鍵詞：工業(yè)Ethernet控制FCS系統(tǒng)集成工廠信息自動化
隨著現代工廠信息自動化進程的加快，企業(yè)逐漸將管理、決策、市場信息和現場控制信息結合起來，實現企業(yè)資源規(guī)劃ERP（EnterpriseResourcePlanning）、生產執(zhí)行系統(tǒng)MES（ManufacturingExecutionsystem）、生產控制系統(tǒng)PCS（ProcessControlSystem）三層信息一體化的解決方案。在PCS設計過程中，通常采用的是現場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）。但由于現場總線相互之間兼容性差、生產現場自控設備的種類繁多，導致不同的總線產品之間無法實現互連、互換、統(tǒng)一組態(tài)及互操作；而Ethernet具有通用性強、技術成熟、帶寬迅速增加等特性。在現場總線控制網絡中，將價廉物美的Ethernet設備應用到現場控制網絡已成為必然趨勢。本文將闡述利用工業(yè)Ethernet技術和FCS融合技術實現工廠信息自動化的案例。
1工業(yè)Ethernet技術及其在工業(yè)中應用的改進[3～4]
現場控制網絡要求具有較強的實時性。而Ethernet由于采用的是CSMA/CD協議，使其天生缺乏確定性（Determinism）和魯棒性（Robustness），必須對其進行改進方可應用。
�。�1）將傳統(tǒng)的總線式結構改為星形連接結構，并為連接在端口上的每個網絡節(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，降低總線上數據發(fā)生碰撞的次數，增加系統(tǒng)的確定性；
�。�2）采用數據交換技術，以提供數據緩沖、提高數據網段的智能，降低數據沖撞和重發(fā)概率；
�。�3）采用TCP/IP協議，確保數據安全可靠到達接收方。在網絡鏈路層中所有硬件對TCP/IP的應用是透明的，TCP為傳輸控制協議，而IP為網際協議。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模型中的網絡層，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絡負荷的減輕，而網絡負荷的減輕又意味著網絡確定性的提高。目前，100M甚至1000M的自適應網絡已在局域網、城域網中普遍應用，10000M正在研制之中，為工業(yè)Ethernet奠定了堅實的基礎。
�。�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、應用于過程自動經的監(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設計關鍵技術
�。�1）一個網絡測控系統(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，造成生產過程的中斷或者生產過程事故，將會造成比金融、電子貿易等網絡受到攻擊時更為嚴重的災難，因此在設計時將網絡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，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限方法；
�。�2）采用基于B/S（Browser/Server）和TCP/IP框架構成WebClient以及TerminalServerClient方式進行遠程實時生產過程監(jiān)控和在線檢測設備健康狀態(tài)，實現了車間的測、控、管的統(tǒng)一，真正實現了工廠信息自動化；
�。�3）遠程監(jiān)控通過Interent方式實現，而不是通過電話線撥號登陸方式直接與設備相連，從而改善了以往遠程監(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象；
（4）使用免IP地址協議技術。由于設計中采用了WebClient和TerminalClient并使用了Internet方式，實現遠程監(jiān)控必須為WebServer或TerminalServer設定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地址協議技術，大大降低了企業(yè)的設計成本。
3系統(tǒng)設計技術與實施
系統(tǒng)組成框圖與網絡布線見圖1所示。
整個車間采用100M快速以態(tài)網為主干，100M到桌面的快速以態(tài)網網絡系統(tǒng)。而在整個廠級的網絡，從當前的100M快速以態(tài)網升級為ATM網，系統(tǒng)采用星型網絡拓撲結構。各部門交換機采用622MATM接口與主交換機相聯，科室與大部門之間通過155MATM接口與主交換機相聯，網管工作站、數據庫服務器通過100M以態(tài)網接口直接與主交換機相聯，各部門服務器通過100M以態(tài)網接口與部門交換機相聯。各部門的其它節(jié)點通過Corebuilder3300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。
3.1B/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、阻塞網絡，采用B/S模式，它是借助于HTTP協議和Web技術，由C/S（Client/Server）模式不斷改進發(fā)展而來的。在B/S模式中，用戶的業(yè)務邏輯可以放在Web服務器上，使網絡流量大大降低；同時，客戶端還進一步“瘦”到只有瀏覽器，極大地減輕了客戶端的負擔和維護量。從根本上說，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模式帶來的優(yōu)點是：
（1）使用簡單、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協議，它可以與企業(yè)的現有網絡很好地結合；
�。�3）信息共享度高HTML是數據格式的一個開放標準，同時采用MIME（MultipurposeInternetMailExtensionprotocol）技術，使Browser可訪問多種格式文件；
�。�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）安全性好防火墻技術將保護現代企業(yè)網絡的安全性。
3.2現場瘦型服務器以及數據傳輸協議
現場控制單元瘦型服務器選擇ADAM5000/TCP[5]，其內部和外部的數據通信幾乎沒有區(qū)別，正是所謂的“網絡就是控制器”。在ADAM5000/TCP中，Ethernet是控制器的一部分并作為連接現場智能控制模塊的控制網絡。網絡集線器被集成在每個控制器中，通過分配空間把內部通信從外部通信中分離開來，此集線器技術和底層協議的集成確保了Ethernet的確定性和兼容性，幾乎可以排除數據通信的碰撞問題。把Ethernet系統(tǒng)總線看作是現場總線，它可以連接到每個獨立的智能控制模塊。整個過程和系統(tǒng)被看成一個邏輯單元，甚至一個獨立的現場控制單元，不需考慮網絡各層概念，由此就消除了CPU的瓶頸效應。所有數據在網絡層中僅表達一次，網絡扮演了真正服務器的角色，這正是工業(yè)Ethernet能成功地被應用到實時工業(yè)控制環(huán)境的一大理由，它使網絡實現了從現場控制單元到Internet、Intranet、管理層的直接通信。ADAM5000/TCP的特性如下：
·ARM32BitRISCCPU、4MRAM、512kBROM用戶區(qū)域；
·10/100MBaseT；
·Modbus/TCP、TCP、UDP（UserDatagramProtocol）、IP、ARP（AddressResolutionProtocol）等；
·時間響應時間≤5ms。
要使工業(yè)Ethernet很好地和現場總線控制系統(tǒng)融合，必須要考慮現場設備與現場通信協議。綜合考慮后，選擇了Modbus/TCP協議（ADAM5000/TCP采用的是Modbus/TCP）。它由Scheider公司公布，是把Modbus總線協議捆綁在TCP協議上形成的，因其支持IDA（InterfaceofDistributedAutomation）而被許多廠家或協會支持。IDA采用包括HTTP和XML在內的開放Internet協議，不需要提供地址幀、確認幀等額外信息，僅需要極少量的網絡資源，同時還能提供嚴格的時間同步，因此可以應用于實時性要求較高的工業(yè)控制環(huán)境。這正是本系統(tǒng)選用ADAM5000/TCP的理由。
3.3OPC的開發(fā)應用
OPC（OLCforProcessControl）的基礎是Microsoft的OLE、COM以及DCOM技術，它是現場設備級和過程管理級進行信息交互的開放的接口標準和技術規(guī)范，支持分布式或異構環(huán)境下應用程序之間軟件的無縫集成和互操作。從數據傳輸角度說，OPC服務器的實質就是一個網關，一方面要從現場設備讀取數據，同時還要把來自不同類型的FCS的不同類型的數據轉化成統(tǒng)一的OPC數據格式，實現信息系統(tǒng)的集成。由于OPC技術標準比較復雜，目前只有一部分FCS設備提供了OPC的接口驅動。對沒有提供OPC接口的現場設備采用ActiveX控件完成。
3.4基于ODBC（OpenDatabaseConnectivity）開放數據庫的互聯模式
開發(fā)基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵一點是如何將實時在線生產和檢測的重要數據上傳到網上，供合法用戶瀏覽，同時又能保證測控網的安全。因此，數據庫的連接方式就顯得格外重要。利用開放數據庫互聯技術實現信息集成一般有兩種方式：DDE（動態(tài)數據互聯）和ODBC的信息互聯。由于本系統(tǒng)選用的是SQLServer數據庫管理系統(tǒng)，為了使B/S模式充分利用企業(yè)的Intranet資源、降低成本、方便開發(fā)和維護，選擇了基于ODBC的互聯方式�；贠DBC實現的B/S模式的信息互聯方式如圖2所示。
3.5負載均衡
Web服務器同Web瀏覽器之間的信息交換采用的是HTTPS（HypertextTransferProtocolSecure）安全超文本傳輸協議，保證了它們之間的通信安全。在系統(tǒng)運行時，Web服務器往往要支撐大量而又密集的用戶點擊和對內容的動態(tài)需求，需要在多個服務器設備之間多個站點之間分散服務器的負載，即網絡負載均衡問題。
“均衡”是一種橫向擴展服務器性能的方法。本系統(tǒng)專門設置一臺計算機來接收企業(yè)IP地址HTTP請求，并把這些請求分發(fā)給網站的各個服務器。這種分發(fā)過程通常發(fā)生在TCP/IP路由的層次上，可以透明地把這個單一的源/目標IP地址映射到一個特定的服務器上，并通過硬件的方式而不通過軟件方式完成。硬件成本雖然高，但映射效率高，可以減緩現場數據的瓶頸效應發(fā)生。這種方式比常規(guī)的DNS（DomainNameServer）方式好。同時這種方式可以不斷地監(jiān)測Web服務器，如果某一服務器出現了故障，則可以把請求動態(tài)地重新定向到功能相同的服務器上，避免了因某一服務器的故障所導致的系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)可靠性。
Ethernet是信息技術中技術最為成熟、有眾多硬件供應商支持的信息高速通道，它把大量的局域網聯成了廣域網，將其應用到工業(yè)控制領域，在現場設備中內置Web服務器，使之具備網絡發(fā)布功能，又能與現場總線技術相互滲透。采用Ethernet將是工業(yè)控制網絡發(fā)展的必然趨勢。
【工業(yè)Ethernet在遠程實時控制系統(tǒng)中的具體應用】相關文章：
DMA在實時圖像處理中的應用08-06
遠程監(jiān)視、控制系統(tǒng)應用嵌入式Linux08-06
實時性遠程答疑系統(tǒng)08-06
實時性遠程答疑系統(tǒng)08-06
實時性遠程答疑系統(tǒng)08-06