工业以太网在控制系统中的应用前景_信息与通信_工程科技_专业资料。工业以太网在控制系统中的应用前景 熊育悦 ,等工业以太网在控制系统中的应用前景The Applicable Pro spect of Industrial Ethernet in Contr
工业以太网在控制系统中的应用前景 熊育悦 ,等工业以太网在控制系统中的应用前景The Applicable Pro spect of Industrial Ethernet in Control Syste ms熊育悦 赵哲身( 上海大学机电工程与自动化学院 ,上海 200072)摘 要 简要介绍了以太网技术在工业控制系统中应用的优势和面临的问题 , 着重讨论了以太网的确定性和实时性问题 , 展示了工 业以太网应用于控制系统的前景 。 关键词 工业以太网 工业控制 应用 展望nation and real time performance of the Ethernet are discussed emphatically. The prospect of application of industrial Ethernet in control systems is fore2 Key words Industrial Ethernet Industrial control Application Prospect Abstract The superiority and the issues lie ahead in application of Ethernet technology in industrial control systems are described in brief . The determi2casted.0 引言信息技术的飞速发展 , 引起了自动化系统结构的变革 ,逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企 业信息系统 。现场总线就是这形势发展起来的新技术 。其初衷是用数字双向通信技术代替 4 ～ 20mA模拟传输技术 。但随着 1999 年现场总线技术标准 IEC( IEC) 的现场总线技术标准 ,其实质是没 种现场总线都成为国际电工委员会通信标准 。不同厂商的仪表设备在不同的 FCS 中兼容性问题并没有得到解决 。因此 , 现场总线的发展前景 受到了很大的制约 , 世界各大厂商纷纷寻找其它途径 以求解决扩展性和兼容性的问题 , 于是目前在信息网络中广泛应用的以太网成为首选的目标 。因为基于 装和兼容性好等方面的优势 , 它支持几乎所有流行的 信速率比较低的缺点 。TCP/ IP 协议的以太网具有传输速度高 、 低耗 、 易于安网络协议 。它能克服现场总线通信协议比较简单 , 通1 以太网的发展简史和优点1. 1 以太网的发展简史1980 年 ,DEC ( digital equipment corporation) 、 Intel 和速度为 10Mb/ S , 所支持的唯一物理介质为粗同轴电 缆 。1982 年 , 发 布 了 DIX210 版 , 这 就 是 通 常 所 说 的Ethernet Ⅱ。与 DIX 同步的是 IEEE 成立的至今闻名的MA/ CD 访问方法和物理层规范 。尽管其帧的定义与80213 委员会 。1985 年 ,IEEE 80213 委员会发布了 CS2Xerox 三大公司发布了 DIX 版以太网 110 规范 , 其传输DIX210 不尽相同 , 但是现在更多的人认为它就是以太网 。这两种结构的帧可以在同一介质共存 , 但不能互操作 。1996 年 , 出现了快速以太网标准 , 传输速度为 准。100Mb/ S ;1998 年 9 月公布了 80213ab 千兆以太网标 1. 2 以太网的优点以太网在其发展的 20 年中得到了极为广泛的应用 ,已经成为一种主流技术 。目前在构筑信息高速公 了高速以太网 。这主要是由于应用以太网有如下一些 优势[1 ] : ① 基于 TCP/ IP 的以太网是一种标准的式网、 在企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用络 ,不同厂商的设备很容易互联 。这种特性非常适合 于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问 题; ② 以太网能便捷地访问远程系统 , 共享/ 访问多数据库 ;③ 易于与 Internet 连接 ,能够在任何城市 、 地方利用电话线通过 Internet 对企业进行 , 是提高生产效 率的有效手段 ;④ 能降低成本 , 包括技术人员的培训费用 、 ⑤ 以太网能实现办公自动化网络与工业控制网费用及初期投资 ; 络的无缝连接 。以上这些优势使得以太网非常适合应用到工业控制系统中去 。然而 , 原先以太网的发展是以办公自动 化为目标的 ,为商业网络设计的 。这使得以太网必然 带有不适合应用于工业控制系统的缺陷 。这种缺陷有 1 《自动化仪表》 23 卷第 9 期 第 2002 年 9 月 时是致命的 。 温度 ,大马达或大导体产生的影响信道传输特性的强 电磁噪声等 。工业以太网如要在车间底层应用必须解 决可靠性的问题 。[2 ]2 以太网应用于工业控制系统时的问题a . 以太网存在实时性差和不确定性的问题。c. 以太网不提供电源 ,必须有额外的供电电缆 。 d. 以太网不是本质安全系统 。 e. 安全性问题 。没有授权的用户可能进入网络确定性是指网络中任何节点 、 在任何负载情况下 都能在的时间内得到数据发送的机会 , 任何节点 都不能独占传输媒介 。而实时性主要通过响应时间和 循环时间来反映 。 以太网虽然在商业领域得到了广泛的应用 , 但用 标准的 UDP 或 TCP/ IP 协议与 Ethernet 一起来构建实时 控制网络是困难的 。这主要是因为以太网的媒介访问 控制协议 —— — CSMA/ CD 有无法预见的延迟特性 。网 络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权 : 节点 信道 ,只有当发现信道空闲时 , 才能发送信息 ; 如 果信道忙碌则需要等待 。信息开始发送后 , 还需要检 查是否发生碰撞 ,信息如发生碰撞 ,需退出重发 。当实 时数据与非实时数据在普通以太网上同时传输时 , 由 于实时数据与非实时数据在源节点的竞争以及与来自 其它节点的实时与非实时数据的碰撞 , 实时数据将有 可能经历不可预见的大延时 , 甚至长时间发不出去的 情况 。以太网的整个传输体系并没有有效的措施及时 发现某一节点故障而加以隔离 , 从而有可能使故障节 点独占总线而导致其它节点传输失效 , 工业控制响应 的实时性问题就不能得到解决 。 以太网的这一缺陷使它适合于信息传输系统而与 过程控制系统的要求有一定的距离 。这是因为信息传 输系统与过程控制系统在通信的要求上有很大的不 同 : 信息传输的主要要求是速度快 ,过程控制系统不仅 要求速度快 ,还要求响应快 ,即实时性好 。信息传输系 统 IT 对响应时间要求较低 ,一般是 2 ～6s ; 过程控制对 系统的实时要求较高 ,一般是 015～2s 。信息传输系统 可以了 ,偶尔几次不及时响应是没有关系的 ; 过程控制 对实时性的要求是硬的 ,因为它常常涉及安全 ,必须在 任何时间都及时响应 , 不允许有任何不确定性 。显然 过程控制的实时性要求高得多 , 过程控制通信将分散 的节点接入系统时常采用方式和多组方式 , 信息 传输系统通信时一个自主系统和另一个自主系统只在 需要通信时建立一对一的方式[3 ,4 ]的控制层或管理层 ,造成安全漏洞 。f . 现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题 。 上述这些问题中 ,实时性 、 确定性及可靠性问题是 阻碍以太网长期进入工业控制领域的主要障碍 。为了 解决这一问题 ,人们从不同角度提出了许多解决办法 。3 工业以太网技术的发展使其在工业控制领域应用成为可能 过去几年 ,以太网技术有了许多进步 。其中 ,交换 式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术 中由于 CSMA/ CD 媒介访问方法产生的不确定性问题 , 它与快速以太网 、 千兆以太网技术结合 ,使以太网的实 时性 、 确定性都得到了较大的改善 。3. 1 交换技术的发展与应用 , 提高了以太网的确定性 ,使以太网应用于控制系统成为可能 早期 ,用双绞线连接的以太网通过中央 HUB 相连 而具有星形拓扑结构 。HUB 是一个多端口中继器 , 它 将一个端口接收的数据发送到所有其它端口 。如网络 规模大 ,会增加 HUB 的数量 , 且整个网络共享媒介 , 意 味着每次都只有一个节点能发送数据 。如果节点数目 急剧增加 ,可以用由器或网桥将网络分成几个不同 的冲突域 。但由器和网桥价格昂贵而且通常端口较 少。 交换机是一种智能 HUB , 它能识别并处理所接收 的数据的目的地址而仅仅将它发送到目的端口 。 构建一个带交换机的以太网系统可以实现完全的 确定性 。但必须注意的有两条 : 一是网络中的每个装 置必须带有自己的交换机 ; 二是交换机工作方式必须 是存储转发方式 ,这样在系统中只有点对点的连接 , 不 会出现碰撞 。通过优先权或其它机制来安排数据包在 交换器中的发送顺序 ,系统将是确定的 。 采用交换机的另一好处是将冲突域分割开来 , 从 而扩大了网络系统的覆盖范围 。冲突域被定义为在网 络工作时可能发生冲突的用中继器连接的网段及其站 点的集合 。以太网冲突域的表现在两个方面 , 一 是网络直径的 , 一是对冲突域内网络站点的( 一般不超过 1 024 个站点) 。以太网的直径由循环延对实时性的要求是软的 , 只要大部分时间满足要求就。因此 ,普通的以太网要应用于工业控制系统必须b. 以太网的工业可靠性问题 。解决实时性和确定性的问题 。以太网是以办公自动化为目标设计的 , 并没有考虑工业现场的适应性需要 , 如超高或超低的工作 2PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol. 23 , No. 9 , Sep. , 2002 工业以太网在控制系统中的应用前景 熊育悦 ,等 时 ( 即间隔时间) 和网络的数据传输速率决定 。循环延 时是固定不变的 , 它等于发送 512bit 数据所用时间 。 循环延时 = ( 中继器总延时 + 传输介质总延时 + MAU 总延时 + DTE 总延时) × 512 位时 。 2 数据传输速率越高网络最大直径就越小 。标准配 置的网络直径往往无法满足实际情况的要求 , 必须利 用网桥 、 交换器 、 由器等网络互联设备来构建较大规 模的多冲突域的以太网系统 。交换器分隔技术就是其 中的一种 。 交换式以太网采用全双工传输模式和交换式集线 器 ( 交换机) 来避免碰撞 , 每个节点对应于 HUB 上的一 对端口 。这样每个节点/ 端口创建了自己的碰撞域并 与其它碰撞域隔离 , 传入交换式集线器的数据包只通 过与目的站相连的端口进行传送 。由于能同时发送和 接收 ,网络的数据吞吐量将是原数据传输速率的两倍 , 网络的性能将只受到发送双方组件性能的 。 用交换式集线器构建以太网的好处在于 : 通过冲 突域分隔技术 ,可以有效地把网络通信在各冲突 域内 。可以支持多端口之间的同时通信 。可以连接不 同速率的以太局域网 ,保持与低速网的相容性 。 式中 : t g 是帧间间隙时间 ; N 是设备数 ; E 是交换器层 数 ; ts 为交换器响应时间 。 树形拓扑有着良好的性能 , 但所需交换机多 , 布线 也较多 , 所以采用较少 。一般采用线 工业以太网硬件产品的研究开发将极大地促进其应用于工业控制 要将工业以太网应用于工业控制 , 必须解决网络 硬件的可靠性问题 。为此 , 各制造商正在研制适应于 工业的以太网产品 、 控制器并开始提供以太网接 口 。目前 , 已有一些厂家封装传统的以太网电缆和接 插件 , 推出基于 PC 和 on - chip 设备的解决方案 , 如Rockwell 公司推出一个基于 Ethernet/ IP ( 以太网的基于主机/ 客户机的控制和信息协议 CIP) 的工业解决方 案 ,即第 3 套 Allen - Bradley 产品 , 首先在以太网上实 现实时控制功能 ,可在 ControlLogix ,ProcessLogix ,FlexI/ Ohead Connectivity 提供了一种基于微型化 RJ - 45 技术“etherMate Interconnection System ” 主 要 产 品 包 括 RJ ; 接器 。45 - M12 防水插座 , ICAT5e 屏蔽双绞线 种不同的工业以太网的拓扑结构 ( 见图 1 ) : 线性拓扑 、 环形拓扑和树形拓扑 。它们的循环时间 t c 计算公式如下 线性拓扑 : 环形拓扑 : 树形拓扑 :[5 ]3. 3 出现了受大公司支持的工业以太网应用标准及: t c = 2 ( N + 1) ts + 2 ( N + 2) tf t c = ( N + 3) ts + 2 ( N + 2) tf t c = 2 Ets + ( 2 E + N + 1) tf帧传送时间为 tf = max{ h + b ; 512} t b + t g和 PanelView 总线Mbit/ s 的传输速度 ; Wood2 的特殊封装的抗污染 、 抗震动 、 防止误接的工业以太网 系统并能与商用 RJ - 45 和其它工业以太网产品一起 使用 , 采用 5 类线 ;Lumberg Inc. 改进了传统的用于传 感器的针式 M12 接插件使之适用于工业以太网 , 称为 为了促进 Ethernet 在工业领域的应用 , 国际上成 立了工业以太网协会 ( Industrial Ethernet Association) , 并 与美国 ARC Advisory Group/ AMR Research 研究中心和Gartner Group 等机构合作开展工业以太网关键技术的接插件 RJ - Lnxx IP67 ,它兼容 10Base - T 和 100Base - T研究 。为了解决在无间断的工业应用领域 , 网络在极 端条件下稳定地工作 ,美国 Synergetic Micro System 公司和 Hirschmann 公司专门开发和生产导轨式收发器 导轨上 ,并有冗余电源供电 ; 接插件采用牢固的 DB - 9系列 、 集线器系列和交换机系列 , 它们安装在标准 DIN 结构 。美国 NET silicon 公司研制的工业以太网通信接 线芯片相比 ,价格具有极大优势[6 ] 。 相关协议的改进口芯片 ,每片价格已降至 10 ～15 美元 , 与各种现场总底层网络引入工业以太网不仅使现场层 、 控制层和管理层在垂直层面方便集成 , 更能降低不同厂家设 备在水平层面上的集成成本 , 以太网向底层网络的延 伸是必然的 。因此 , 世界著名厂家和集团纷纷支持工 3 《自动化仪表》 23 卷第 9 期 第 2002 年 9 月 业以太网并制订了不同的工业应用标准 。目前 , 主要 有以下一些以太网工业协议[7 ]的 ,通过两个过程的集成与同步 ,不仅节点的发送时间 是确定的 , 而且节点使用总线的时间也是可控制的 。 在 10Mbps 以太网上的性能实验表明 , RTCC 有令人满 意的确定性 。RTCC 是加在 ETHERNET 之上的一层协 议 ,能提供高速 、 可靠 、 实时的通信 。 第三种改进实时性的方法是流量平衡 , 即在 UDP 或 TCP/ IP 与 Ethernet MAC 之间加一个流量平衡器[10 ] 。 作为它们之间的接口 ,它被安装在每一个网络节点上 。 在本地节点它给予实时数据包以优先权来消除实时信 息与非实时信息的竞争 , 同时它还平衡非实时信息以 减少与其它节点实时信息之间的冲突 。为了非实 时信息的吞吐量 ,流量平衡器还能根据网络的负载情 况调整数据流产生率 。这种方法不需要对现有的标准Ethernet MAC 协议和 TCP 或 UDP/ IP 作任何改动 。:NET/ IP ,IP 是指工业协议 , 它提供 Producer/ Consumer 模well 等一些国际著名公司的支持 。MA 模式和 RETHER 模式 。在实时对话期间 ,网络将透cation control) ,为分布式实时应用提供了良好的基础 。公司支持的 由 ControlNet International 组 织 的 ETHER2 型 ,将 ControlNet 和 DeviceNet 的控制和信息协议的应 用层移植到 TCP 。该协议主要用于零件制造业 。 ② 现场总线基金会制定的高速以太网协议 HSE , 它提供了发布方/ 定购方 、 对象等模型 , 主要用于工程 控制领域 , 受到了 Fisher/ Rosemount ,Foxboro 以及 Hony2 ③ 由 Scheider Automation 公 司 发 布 的 MODBUS/TCP 协议 ,它将 MODBUS 协议在 TCP 协议上 , 易于实施 ,能够实现互联 。但不支持基于对象的通信模型 , 这样一些参数的设置得手工进行 。组织的 Profinet ,采用分布式组件对象模型 ( DCOM) , 只 开销 ,不适应于现场设备 。能由 Windows 平台支持 , 需要很大的存储与过程处理 值得指出的是 ,这些标准的底层是一样的 ,但应用层不一致 ,因此上述的以太网产品不能互操作 。互操 作性是指不同厂商的设备能够通过应用层进行通信的 能力 ,在工业自动化领域 ,尚无标准的应用层 。为了提高实时性 , 以太网协议也作了一些改进 。[8 ]一种完全基于软件的协议 RETHER , 可以在不改变以 太网现有硬件的情况下确保实时性 。它采用的是一种混合操作模式 ,能减少对网络中非实时数据传输性 能的影响 ; 非竞争的容许控制机制和有效的令牌传递 方案能防止由于节点故障而引起的令牌丢失 。此方法 主要着眼于在以太网中提供带宽 。因为尽管以太 能为一对被仲裁的节点提供带宽 。网协议规范中有优先权访问仲裁 , 但这种机制本身不明地转换到 RETHER 模式 , 实时对话结束后又重新回 到 CSMA 模式 。它不需要改变现有的硬件设备的机制来分配信道 : 即命令/ 响应多传输和总线表 。 所有节点在 RTCC 协议中被分为两类 , 一类是总线控 制器 (BC) , 另一类是远程终端 ( RT) ,BC 只有一个 , 其 余都是 RT。信息发送的发起和管理都由 BC 承担 。显然 ,访问仲裁过程和传输控制过程都是由 BC 来实现 4遵守 RETHER 协议的网络以两种模式运行 ,即 CS2[9 ]还有一种以太网协议叫 RTCC ( real - time communi2, 而是采用两种新颖① Rockwell Automation 、 OMRON 、 Cutler2Hammer 等 ④ 受 Simense 公司支持的由 Profibus International除了协议上的改进外 ,CSMA/ CD 的二进制回退算 法 BEB 也 有 一 些 改 进 。如 二 底 对 数 仲 裁 方 法(BLAM) [11 ] 和 Polite” “ 算法 [12 ] 。实验证明 BLAM 在吞吐量、 平均响应时间 、 延迟抖动方面都优于 BEB 算法 ( 二 进制指数回退算法) 。4 结束语以太网的传输速度近几年有了很大的飞越 。从最 初的 10Mb/ S 发展到现在的千兆以太网 ,万兆以太网也 正在研制当中 。在通信量不变的前提下 , 通信速率的 提高意味着网络负荷的减轻 , 实际上也就意味着确定 性的提高 。实验表明 , 在网络负荷不超过 36 %的情况 下 ,以太网发生碰撞可能性极小 。因此 ,随着以太网传 输速度的不断提高 ,以太网的实时性 、 确定性会有进一 步的提高 。 综上所述 ,随着以太网速度的不断加快及在确定 性、 实时性 、 可靠性方面性能的不断改善 , 工业以太网 毫无疑问将在控制网络中扮演越来越重要的角色 。参考文献1 John McG ilvreay. He ethernet decision. http :/ / 范铠 . 现场总线的发展趋势 . 自动化仪表 ,2000 ,21 (2) :1～4 4 彭瑜 . 从 Interkama’ 看自动化技术发展的三个趋向 . 自动化仪 99PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol. 23 , No. 9 , Sep. , 20022 George Thomas. Looking deeper into ethernet. http :/ / 表 ,2000 ,21 (3) :1～45 Erik Vonnahme , Sten RΒ ping , Rlrich RΒckert. Measurements in switched ethernet networks used for automation systems. http :/ / citeseer. nj. nec. com 6 缪学勤. 现场总线技术的最新进展. 自动化仪表 ,2000 ,21 (7) :1～2 7 Eric Byres ,Shoot2out at the ethernet corral. InTech ,February , 2001 8 Chiueh T. and Venkatramani C. Supporting real2time traffic on ethernet. 复杂多层次控制系统智能故障诊断 蔡卫峰Proceedings of IEEE Real2time Systems Symposium ,Dec. 1994[1 ]nical Report CSRI - 298 ,Computer Systems Research Institute ,University of T oronto ,Canada ,April ,1994 12 Vijay Gupta. A distributed backoff algorithm to support real2time traffic on Etherent. http :/ / citeseer. nj. nec. com 收稿日期 :2002 - 02 - 05 。9 Wang Zhiping ,Xiong Guangee ,Luo Jin ,Lai Mingzhi and Wan Lei zhou. A hard real2time communication control protocol based on the ethernet. http :/ / citeseer. nj. nec. comral network and other theories are investigated ,and the applicable methods and features are analyzed.0 引言agnosis ,FDD) 是一门综合性技术 , 涉及现代控制理论 、sion between modules are stated for complex multiple hierarchical control systems. Several intelligent ult diagnostics modes based on combination of neu2 Key words Fault diagnostics Intellectualization Multiple hierarchical control Neural network Artificial intelligence10 2Kyu K Seok weon and Kang G. Shin. Achieving real2time communication 11 Molle. A new binary logarithmic arbitration method for Ethernet. Tech2 M.over ethernet with adaptive traffic smoothing. http :/ / citeseer. nj. nec. com复杂多层次控制系统智能故障诊断Intelligent Fault Diagno stic s for Co mplex Multiple Hierarchy Control Syste ms蔡卫峰( 南京理工大学自动化系 ,南京 210094)摘 要 阐述了智能故障诊断的特点 。针对复杂多层次控制系统 ,提出了一种分层模块化设计方法及模块间故障变量的搜索模 式 。探讨了基于神经网络与其它理论方法相结合的几种智能化诊断模式 ,并对应用方法和特点作了分析 。 关键词 故障诊断 智能化 多层次控制 神经网络 人工智能信号处理 、 模式识别 、 人工智能 、 电子技术 、 数理统计 、 模糊逻辑等学科 ,与容错控制 、 鲁棒控制 、 自适应控制 、 智能控制有密切的联系 , 故障诊断技术研究已成为自 控界的热点研究方向之一 。余) 为主 ,包含了故障检测 、 故障分离 、 故障辨识 、 故障 估计 、 故障预报 、 故障决策等内容[2 ] 。该技术按是否需 要建立系统精确数学模型要求可分为两大类 : 一类是 完全基于控制系统数学模型的方法 , 另一类则是基于 能综合故障诊断方法[3 ]人工智能 、 专家系统 、 神经网络 、 模糊理论等技术的智 。 对于控制系统的故障诊断 , 基于数学模型的诊断技术目前已取得了相当进展 , 如 Kalman 滤波 、 观测器 、 参数估计和一致空间法等[1 ,2 ] , 该方法需要建立被诊 断对象较为精确的数学模型 。当对象的模型已知时 ,基于动态数学模型的方法是首选的 , 它对线性系统已 经取得了丰硕 。但该技术在应用方面存在不少限Abstract features of intelligent ult diagnostics are described. The hierarchical modular design method and the searching mode of variable transmis2 The制 ,一个重要的问题就是要求系统有精确的数学模型 , 对于复杂结构的控制系统或对于工艺流程复杂 、 具有 慢时变 、 分布参数 、 大时滞特性等难以精确描述其数学 模型的对象则难以获得满意结果 ; 另外由于非线性系 统的复杂多样性 ,控制系统的建模极其困难 ,故障诊断 要求得到系统的在线状态和参数估计手段并不多 , 尤 其在系统存在模型不确定性 、 噪声统计特性并不理想 时 ,使得传统的动态数学模型方法更为困难 。 智能故障诊断系统因其不需要建立控制系统的精控制系统的故障与诊断技术 (ult detection and di2 目前所说的 FDD 技术都是指以软件冗余 ( 解析冗确数学模型 ,在故障诊断中得到了越来越广泛的重视 。1 智能故障诊断技术的特点智能故障诊断中的 “智能化” 主要体现在诊断过程中结合领域专家知识和人工智能技术进行诊断推理 , 具有对给定下的诊断对象进行状态识别和状态预 测的能力 ,可以综合多个领域专家的最佳经验 ,实现多 故障 、 多过程 、 突发性故障的快速分析诊断[4 ,5 ] 。智能 故障诊断系统具有以下特点 : ① 具有人工智能的特点 ,适合用于模拟人的逻辑 ② 根据诊断过程的需要搜索和利用领域专家的 5思维过程 ,解决需要进行逻辑推理的复杂诊断问题 ;
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