第6章 计算机控制中的网络与通信技术(5)

计算机控制技术

能给现场设备提供工作电源。采用总线供电可以减少网络线缆，降低安装复杂性与费用，提高网络和系统的易维护性。特别是在环境恶劣与危险场合，“总线供电”具有十分重要的意义。由于Ethernet 以前主要用于商业计算机通信，一般的设备或工作站(如计算机) 本身已具备电源供电，没有总线供电的要求，因此传输媒体只用于传输信息。

对现场设备的“总线供电”可采用以下方法:

方法一:在目前Ethernet 标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。

采用这种方法时必须注意：修改协议后的以太网应在物理层上与传统Ethernet 兼容。 方法二:不改变目前Ethernet 的物理层结构，即应用于工业现场的以太网仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源。

相比而言，第一种方法虽然实现了与传统DCS以及FF、Profibus 等现场总线所采用的“总线供电法”相一致，做到了“一线二用”，节省了现场布线。但由于这种方法与传统以太网在物理介质上传输的信号在形式上已不一致，因此这种修改后的以太网设备与传统以太网设备不再能够直接互连，而必须增加额外的转接设备才能实现与传统以太网设备(如计算机的以太网卡) 的连接。

（3）互操作性

由于以太网( IEEE802. 3) 只映射到ISO/ OSI 参考模型中的物理层和数据链路层，TCP/ IP 映射到网络层和传输层，而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前RFC (Request For Comment) 组织文件中的一些应用层协议，如FTP、HTTP、Telnet 、SNMP、SMTP 等，仅仅规定了用户应用程序该如何操作，而以太网设备生产厂家还必须根据这些文件定制专用的应用程序。这样不仅不同生产厂家的以太网设备之间不能互相操作，而且即使是同一厂家开发的不同的以太网设备之间也有可能不可互相操作。究其原因，就是以太网上没有统一的应用层协议，因此这些以太网设备中的应用程序是专有的，而不是开放的，不同应用程序之间的差异非常大，相互之间不能实现透明互访。

要解决基于以太网的工业现场设备之间的互可操作性问题，唯一而有效的方法就是在以太网+TCP(UDP)/IP 协议的基础上，制订统一并适用于工业现场控制的应用层技术规范，同时可参考IEC 有关标准，在应用层上增加用户层，将工业控制中的功能块FB(Function Block) 进行标准化，通过规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程，便于实现不同制造商设备的混合组态与调用。

这样，不同自动化制造商的工控产品共同遵守标准化的应用层和用户层，这些产品再经过一致性和互操作性测试，就能实现它们之间的互可操作。

（4）网络生存性

所谓网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。任何一个系统组件发生故障，不管它是否是硬件，都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序以致于整个系统的瘫痪，则说明该系统的网络生存能力非常弱。因此，为了使网络正常运行时间最大化，需要以可靠的技术来保证在网络维护和改进时，系统不发生中断。

为提高工业以太网的生存能力，提高基于以太网的控制系统的可用性，可采用以下方法：在进行基于以太网的控制系统设计时，通过可靠性设计提高现场设备的可靠性；采用环型冗余以太网结构网络以提高系统的可恢复性；采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。

（5）网络安全性

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

目前工业以太网已经把传统的三层网络系统(即信息管理层、过程监控层、现场设备层) 合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，同时它可以接入INTERNET，实现了数据的共享，使工厂高效率的运作，但与此同时也引入了一系列的网络安全问题。

对此，一般可采用网络隔离(如网关隔离)的办法，如采用具有包过滤功能的交换机将内部控制网络与外部网络系统分开。该交换机除了实现正常的以太网交换功能外，还作为控制网络与外界的唯一接口，在网络层中对数据包实施有选择的通过（即所谓的包过滤技术)，也就是说，该交换机可以依据系统内事先设定的过滤逻辑，检查数据流中每个数据包的部分内容后，根据数据包的源地址、目的地址、所用的TCP 端口与TCP 链路状态等因素来确定是否允许数据包通过。只有完全满足包过滤逻辑要求的报文才能访问内部控制网络。

此外，还可以通过引进防火墙机制，进一步实现对内部控制网络访问进行限制、防止非授权用户得到网络的访问权、强制流量只能从特定的安全点去向外界以及限制外部用户在其中的行为等效果。

（6）本质安全与安全防爆技术

在生产过程中，很多工业现场不可避免地存在易燃、易爆与有毒等场合。对应用于这些工业现场的智能装备以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。

现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型(如增安、气密、浇封等) 和本质安全型。 与隔爆型技术相比，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，可以带来以下技术和经济上的优点:结构简单，体积小，重量轻，造价低；可在带电情况下进行维护和更换；安全可靠性高；适用范围广。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。

以太网系统的本质安全包括几个方面，即工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的变送器和执行机构等现场设备。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在六、七十毫安(5伏工作电源) ，因此相对而言，基于以太网的低功耗现场设备和交换机设计比较困难。

在目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行，即通过对以太网现场设备(包括安装在现场的以太网交换机) 采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使设备本身的故障产生的电火能量不会外泄，以保证系统使用的安全性。

另一方面，对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。 （7）远距离传输

由于通用Ethernet 的传输速率比较高(如10Mbps、100M bps、1000M bps)，考虑到信号沿总线传播时的衰减与失真等因素，Ethernet 协议( IEEE802. 3协议)对传输系统的要求作了详细的规定，如每一段双绞线(10BASE2T)的长度不得超过100m；使用细同轴电缆(10BASE22) 时每段的最大长度为185m；而使用粗同轴电缆(10BASE25)时每段的最大长度也仅为500m，对于距离较长的终端设备，可使用中继器(但不超过4 个)或者光纤通信介质进行连接。

然而，在工业生产现场，由于生产装置一般都比较复杂，各种测量和控制仪表的空间分布比较分散，彼此间的距离较远，有时设备与设备之间的距离长达数公里。对于这种情况，如遵照传输的方法设计以太网络，使用10BASE2T 双绞线就显得远远不够，而使用10BASE2 或 10BASE5 同轴电缆则不能进行全双工通信，而且布线成本也比较高。同样，如果在现场都采用光纤传输介质，布线成本可能会比较高，但随着互联网和以太网技术的大范围应用，光纤成本肯定会大大降低。

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计算机控制技术

此外，在设计应用于工业现场的以太网络时，将控制室与各个控制域之间用光纤连接成骨干网，这样不仅可以解决骨干网的远距离通信问题，而且由于光纤具有较好的电磁兼容性，因此可以大大提高骨干网的抗干扰能力和可靠性。 通过光纤连接，骨干网具有较大的带宽，为将来网络的扩充、速度的提升留下了很大的空间。 各控制域的主交换机到现场设备之间可采用屏蔽双绞线，而各控制域交换机的安装位置可选择在靠近现场设备的地方。

6.3.3 工业控制网络现状

前面讨论了现场总线和工业以太网络，现场总线实时性好、稳定性高、可靠性高、技术成熟，但有也存在着总线标准多，不同总线标准的设备之间互连困难，现场总线的数据传送速度比以太网慢等不足之处。

工业以太网传送速度快、不存在现场总线的多种标准的问题，但在实时性、可靠性、安全性等方面还没有得到很好的解决，很多技术还有待成熟。目前，工业以太网用于现场设备控制还没有得到广泛的应用，但是一种发展趋势。

目前，一般采用以太网和现场总线相结合来构成一个企业的信息化网络。企业信息化网络可分为三个层次，从下到上依次为现场设备层、过程监控层和信息管理层。

1．信息管理层

企业信息管理网络位于最上层，它主要用于企业的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，数据吞吐量比较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络必须具有较大的带宽。目前企业管理网络主要由快速以太网(100M、1000M、10G等) 组成。

2．过程监控层

过程监控网络位于中间，主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库，进行先进控制与优化计算、集中显示、过程数据的动态趋势与历史数据查询、报表打印。这部分网络主要由传输速率较高的网段(如10M、100M以太网等) 组成。

3．现场设备控制层

现场设备层网络位于最底层，主要用于控制系统中大量现场设备之间测量与控制信息以及其他信息(如变送器的零点漂移、执行机构的阀门开度状态、故障诊断信息等) 的传输。 这些信息报文的长度一般都比较小，通常仅为几位( bit ) 或几个字节(byte)，因此对网络传输的吞吐量要求不高，但对通信响应的实时性和确定性要求较高。目前现场设备网络主要有现场总线如FF、Profibus、WorldFIP、De2viceNet 、P2NET 等低速网段组成。

工业网络采用这种网络结构可以充分发挥现场总线和以太网各自的优势，使得工业生产过程的控制和管理更好的结合起来，加强企业的信息化建设。

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

习题

1．按照网络的拓扑结构，计算机网络可以分为哪几类？并对每类加以说明。 2．按照网络的交换方式，计算机网络可以分为哪几类？并对每类加以说明。 3．OSI模型分为哪七层？并对每层的功能进行说明。

4．目前局部网络常用的介质访问控制方式有哪三种，并对每种的工作原理进行说明，并说明其特点及应用范围。

5．在局域网中常用的传输媒体有哪几种？ 6．举出六种常用的网络设备。

7．常用的调制方法有哪三种？并对每种进行说明。 8．写出异步通信的数据帧格式，并说明其工作原理。 9．写出同步通信的数据帧格式，并说明其工作原理。 10．常用的几种检验编码的方法有哪几种？并加以说明。 11．纠错方式有哪三种？并加以说明。

12．目前企业信息化网络可分为哪三个层次？每个层都有什么功能？

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