近幾年來，隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革，以太網(wǎng)（Ethernet）逐漸進入工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，目前在工業(yè)領(lǐng)域有超過100種通信協(xié)議被應(yīng)用于各種各樣的工業(yè)計算機平臺之間的數(shù)據(jù)交換，從智能傳感器到參域的監(jiān)控系統(tǒng)都在應(yīng)用以太網(wǎng)。以太網(wǎng)是目前可用的最常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因而控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流，以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域?qū)玫搅嗽絹碓蕉嗟膽?yīng)用。

工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢
目前，以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，尤其在自動化系統(tǒng)中已滲透到了管理層、系統(tǒng)層、控制層和設(shè)備層，很多的DCS和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。以太網(wǎng)之所以給自動化市場帶來風(fēng)暴式的革命，主要有3個原因：低成本的刺激和速度的提高；現(xiàn)代企業(yè)對實時生產(chǎn)信息有越來越多的要求；以太網(wǎng)的開放性和兼容性。
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從管理層向下延伸到系統(tǒng)層、控制層和設(shè)備層，當(dāng)控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來越強，在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結(jié)合起來，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟全球化的要求。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)
一般來講，現(xiàn)代的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為4層：管理網(wǎng)、系統(tǒng)網(wǎng)、控制網(wǎng)、設(shè)備層網(wǎng)，如圖1所示。
管理網(wǎng)
管理網(wǎng)MNet是控制系統(tǒng)的最高一級網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)，實現(xiàn)工廠級的信息傳遞和管理，是實現(xiàn)全廠綜合管理的信息通道。其功能如下：
* 可從運行有數(shù)據(jù)服務(wù)軟件的操作站（或?qū)Ｓ梅?wù)器）上獲取系統(tǒng)過程參數(shù)和系統(tǒng)運行信息，同時向下傳送上層管理計算機的調(diào)度指令和生產(chǎn)指導(dǎo)信息；
* 企業(yè)內(nèi)多組裝置或生產(chǎn)過程的管理數(shù)據(jù)通信；
* 大型工業(yè)過程各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制與調(diào)度管理；
* 工廠級的綜合管理、調(diào)度、統(tǒng)計和決策等。
管理網(wǎng)MNet主要性能指標(biāo)表1所示：
系統(tǒng)網(wǎng)
系統(tǒng)網(wǎng)是自動化控制系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)，一般系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都是雙冗余的實時高速工業(yè)以太網(wǎng)，它直接連接了集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站和數(shù)據(jù)通信組件等，它是傳送過程控制實時信息的通道，具有很高的實時性和可靠性。通過掛接在其上的數(shù)據(jù)通信組件可以與其它廠商的控制系統(tǒng)或智能儀表相連，也可通過運行有數(shù)據(jù)服務(wù)軟件的操作站或?qū)Ｓ梅?wù)器把過程控制信息向上層的信息管理網(wǎng)傳送。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要完成下面的基本功能：
* 現(xiàn)場控制站傳遞現(xiàn)場I/O采集數(shù)據(jù)至操作站；
* 各現(xiàn)場控制站間的數(shù)據(jù)傳遞，以滿足大范圍協(xié)調(diào)控制的需要；
* 操作站和工程師站向現(xiàn)場控制站傳遞控制指令或組態(tài)數(shù)據(jù)；
* 保持各操作站之間數(shù)據(jù)的一致性。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的過程實時信息的傳遞完全基于UDP/IP協(xié)議，從而極大地提高了傳輸速率。此外系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上，大量使用了組播和廣播技術(shù)，從而進一步大大減輕了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)。對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序還提供流量控制、差錯控制、自動重發(fā)、報文傳輸時間順序檢查、報文質(zhì)量標(biāo)記檢查等確保數(shù)據(jù)可靠的功能。因此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)充分保證了過程信息能夠高效、實時、可靠的傳遞，并且能夠保證基于工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不會因通信負(fù)擔(dān)過重而癱瘓。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNet基本性能指標(biāo)見表2。
控制網(wǎng)
控制網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場控制站內(nèi)部使用的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)場控制站內(nèi)部的各個智能I/O模板和控制模板之間的互聯(lián)和信息傳遞?，F(xiàn)場控制站的控制網(wǎng)絡(luò)上共可以接有4個機籠，每個機籠內(nèi)都有10塊I/O插槽，最左邊兩塊插槽插入控制模板，右邊插槽插入I/O模板。
控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN（Control Area Network）現(xiàn)場總線網(wǎng)，符合ISO11898 CAN Specification 2.0B標(biāo)準(zhǔn)，是一種按優(yōu)先級搶占式的總線網(wǎng)絡(luò)，它具有以下特點：
* 多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需地址等節(jié)點信息，可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)；
* 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸；
* 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況；
* 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”；
* 節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，報文標(biāo)識符可達(dá)2032種（CANBUS2.0A），而擴展標(biāo)準(zhǔn)（CANBUS2.0B）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制；
* 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果；
* 每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低；
* 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響；
* 通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
控制網(wǎng)絡(luò)CNet的基本性能指標(biāo)如表3所示。
靈巧總線
靈巧總線SmartBus是調(diào)理模板內(nèi)部連接I/O模塊與模板控制器的實時控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)調(diào)理模板控制器和所有智能I/O模塊之間的互連和信息傳送，具有以下特點：
* 支持點對點發(fā)送和廣播發(fā)送功能；
* 節(jié)點錯誤嚴(yán)重時不會影響其它節(jié)點正常工作；
* 傳輸時間短，不易干擾，具有極好的檢錯效果；
* 容易實現(xiàn)信號和信號之間，信號和主機之間的隔離；
* 容易實現(xiàn)模塊級功能擴展。

結(jié)論
從上述案例論述中，可以得出以下簡單的結(jié)論：工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢應(yīng)該是分布式、開放化、立體化和信息化。分布式的結(jié)構(gòu)是一種能確保網(wǎng)絡(luò)中每個智能的模塊能夠獨立工作的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到系統(tǒng)危險分散的概念；開放化則是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有與外界的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的連接；立體化則使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸分工更加細(xì)化；信息化則是使系統(tǒng)信息能夠進行綜合處理，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化和管控一體化?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的自動化具有低成本和開放性，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，易于與管理結(jié)合，實現(xiàn)管控一體化。 
（本文作者單位：浙江正泰中自控制工程有限公司、桂林工學(xué)院電子與計算機系）