1 概述
上世紀(jì)八十年代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入我國水泥行業(yè)，水泥工業(yè)自動化隨之成為水泥新型干法工藝不可缺少的一部分，DCS，PLC是當(dāng)時控制的熱門話題。到了九十年代工業(yè)自動化界的熱點(diǎn)又轉(zhuǎn)向?yàn)楝F(xiàn)場總線，在一段時間內(nèi)控制業(yè)界推出了幾十種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，后由IEC確定了八種現(xiàn)場總線為國際標(biāo)準(zhǔn)。水泥工業(yè)自動化后也隨著現(xiàn)場總線的大流，在部分企業(yè)采用了FCS--現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，應(yīng)用在窯尾和冷卻機(jī)的控制中，現(xiàn)今Profibus,-DP、 PA、 FF、Control-Net、Device-Net等已廣為熟知。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)又成為控制界最大熱點(diǎn)，其熱度甚至超過了當(dāng)年的現(xiàn)場總線技術(shù)，幾乎波及到各個角落。目前IEC正在制訂工業(yè)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)今已推出并比較有影響的是Ethernet/IP(ODVA )和PROFINET 等，實(shí)際上這些網(wǎng)還是現(xiàn)場總線 DeviceNet, Contro-lNet，Profibus,-DP,PA的上層網(wǎng)段。中國的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在起飛，如浙大中控聯(lián)合國內(nèi)一些企業(yè)正在開發(fā)的EPA標(biāo)準(zhǔn)，并已向IEC申報(bào)。
和其他行業(yè)一樣，我國水泥工業(yè)自動化人員并不陌生以太網(wǎng)，在開發(fā)管理信息MIS系統(tǒng)時，或者在用PC機(jī)組成的辦公自動化系統(tǒng)時，多曾采用了商用以太網(wǎng)，但目前熱門的是工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)系統(tǒng)，即在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)從智能傳感器到廠區(qū)內(nèi)的監(jiān)控和管理系統(tǒng)都應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng)，支持工業(yè)以太網(wǎng)的軟件極為豐富，有超過100種通訊協(xié)議被應(yīng)用于各種各樣工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺之間的數(shù)據(jù)交換;低成本高性能的Ethernet產(chǎn)品到處可見，目前幾乎所有遠(yuǎn)程I/O和控制器均能提供一個支持TCP/IP的Ethernet接口。 各種工廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如Honeywell公司的TDC和TPS系統(tǒng)、ABB公司的工業(yè)IT、SIMENS公司的PCS7等，都采用工業(yè)以太網(wǎng)作為管理層和監(jiān)控層，Ethernet正在成為國際標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)有何特點(diǎn)，在選擇考慮時要注意什么，工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)絡(luò)的通信模型以及在聯(lián)網(wǎng)時用什么基本設(shè)備，對于我們水泥行業(yè)自動化技術(shù)人員應(yīng)有所了解，本文將就以上的話題論述，并對水泥行業(yè)應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的前景做一預(yù)測。
2 工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)絡(luò)的通信模型和聯(lián)網(wǎng)基本設(shè)備
2.1.工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)
以太網(wǎng)是采用平等競爭式的介質(zhì)訪問控制方式，即現(xiàn)在使用的CSMA/CD802.3標(biāo)準(zhǔn)(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問)，它是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式，其基本工作原理是：某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò);如果兩個或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時發(fā)送報(bào)文時，將發(fā)生碰撞，同時節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長度的時間后重新發(fā)送。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時，Ethernet上存在的這種碰撞成了主要問題，因?yàn)樗鼧O大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時，并導(dǎo)致Ethernet實(shí)際性能的下降。由于在一系列碰撞后報(bào)文可能會丟失，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障，因此它不能滿足自動化系統(tǒng)對通信的實(shí)時要求。而我們現(xiàn)在所討論的是工業(yè)以太網(wǎng)，它也是采用了以太網(wǎng)的通信方式，但工業(yè)以太網(wǎng)最大特點(diǎn)是：
2.1.1 傳輸速率快：最初以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)通信速率是2.94Mbps, 而工業(yè)以太網(wǎng)的速率是10Mbps，100 Mbps，現(xiàn)在甚至有可支持1000 和10GMbps的以太網(wǎng)。 在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，也就意味著網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。
2.1.2. 實(shí)時性：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性要求很高，通常制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求在0.01~0.5s，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.5~2s，為此在工業(yè)以太網(wǎng)中除具有的高通信速率外、還采用了全雙工交換技術(shù)，即端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發(fā)送報(bào)文幀，不會發(fā)生沖突。另外，網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由交換機(jī)SWITCHER將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段。交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，即能實(shí)現(xiàn)來自某一端口的信息，再將信息廣播到其他端口的路由功能，并能自動檢測網(wǎng)絡(luò)速度，有MAC地址表，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，避免了消息沖突。同時交換機(jī)還可以對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行包過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不會經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
為更可靠、有效做到實(shí)時性，在工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時技術(shù)上各開發(fā)商通過創(chuàng)新技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)的通信更加順暢，如采用同步分散實(shí)時時鐘協(xié)議以及高速通道協(xié)議等新技術(shù)，可以認(rèn)為目前工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時性基本得到解決。