工業以太網與智能建筑
http://www.moduwu.com 2007-05-08 15:34 來源：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
1 工業以太網產生的背景
(1) 統一現場總線標準成為泡影，誘惑依然
1984年美國著手制定現場總線國際標準，若干年以來，世界各大公司為了商業的利益，現場總線標準始終不能統一。通過多次投票、協商，2000年1月宣布的現場總線國際標準IEC61158將八種總線（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時列為國際標準（目前已達10種），形成一個妥協的結果。
同時，國外各大公司又推出了自己的標準，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法國Schneider等，目前多種總線的標準同時存在的局面依然存在，人們所說的開放性和互操作性只能在同一種總線標準下實現，不同標準總線之間仍然受到限制。不同總線之間的互聯性得不到保證，因此人們在努力尋求一種統一標準的現場總線，有人提出了采用TCP/IP協議的以太網。
(2) 系統集成的需求
① 工業自動化的管控一體化 企業信息化是我國的國策，以制造自動化及信息化為例：在需要改變業務流程度的同時，將管理信息系統與電子商務、分散的網絡化制造加以集成，把現有的企業資源ERP改造成為基于WEB的應用系統。目前工業自動化已從單機自動化、工廠自動化，向系統自動化發展，底層的信息要集成到上層的信息網上以實現管控一體化的集成系統。以現代制造業為例，其現代制造自動化模型如圖1所示。
圖1 現代制造自動化模型
現代化生產系統為一個多層的工業控制系統，一般分為三層：
• 設備層 聯接檢測設備和執行機構；
• 控制層 從現場設備取得數據，完成各種控制，監測運行參數，報警和歷史趨勢分析等；
• 信息層 將控制系統的各種數據加工后傳至上級管理網絡（TCP/IP以太網），以便實現管控一體化，其網絡結構如圖2所示。
圖2 企業管控一體化網絡結構圖
② 智能建筑的系統集成 城市信息化、數字化的發展、智能建筑（包括智能化住宅小區），已成為數字化城市的信息站點，要實現信息共享，必須實現控制網與信息網的縱向集成，即控制網與TCP/IP的以太網集成。各子系統（空調、給排水、供電……）由控制網互聯再經網關接入TCP/IP以太網，或者各子系統經網關直接接入TCP/IP以太網。
智能建筑集成系統網絡結構如圖3所示。
圖3 智能建筑系統集成網絡結構圖
由于各子系統及各現場設備通訊協議是多樣化的，這兩種集成模式都要開發網關，以實現協議的轉換和統一，這樣加大了系統集成技術的復雜性，提高了成本。有人大膽提出能否用TCP/IP協議作為一個統一的協議，各子系統及各現場設備直接接到以太網上以簡化系統集成的技術難度，降低成本，使控制信號直接由以太網傳輸，工業以太網的概念因此被提出。
2 以太網與CSMA/CD
(1) 以太網
以太網（Ethernet）1975年由美國XEROX公司研制成功，由于采用無源介質（如雙絞線、同軸電纜等）來傳播信息，所以以歷史上把傳播電磁波稱為“以太”（Ether）來命名。
1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯合推出了EthernetV2，是世界上第一個局域網規范。1983年IEEEE802委員會以DIX EthernetV2為基礎推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介質訪問控制技術。
802.3是指采用CSMA/CD的網絡，而以太網的標準由DIX EthernetV2定義，在不嚴格的情況下，可以稱之為802.3局域網，也就是以太網。
工業以太網就是將商用以太網應用到工業控制系統，兩種網絡并沒有本質的區別，兩者是兼容的。
(2) CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監聽多路訪問/沖突檢測）
CSMA/CD最早是由CSMA改進而來。
① CSMA（載波監聽多路訪問）：一個站要發送信號，首先要監聽總線，以決定介質是否存在其它站發來的信號。
• 如果介質是空閑的，則可以發送；
• 如果介質正處于工作狀態，則等待一段間隔后重試，當聽到介質處于忙狀態，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽信號：非堅持CSMA、1—堅持CSMA、P—堅持CSMA。
② CSMA/CD不但先聽后發，而且還邊聽邊發，總線上發生了沖突，而且一旦沖突被檢測到，便停止發送該幀，放棄自已的幀。為了使其它站也能知道產生了沖突，監聽到沖突的站還向總線上傳播一個干擾阻塞信號，通知總線各站沖突已發生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費。隨著網絡負載的加大，碰撞的機會會增加，網絡效率明顯下降。
3 工業以太網的特點
(1) 技術成熟，使用方便 以太網是美國XEROX公司于1975年推出的，至今已有30年歷史，得到全世界眾多廠家的支持，在軍事、工業、民用領域得到了廣泛應用。
(2) 具有統一的標準，開放性好 采用統一的IEEE802.3以太網標準CSMA/CD，是IEEE802.3采用的介質訪問控制技術，可以實現不同廠家之間的產品互聯，是一種開放式標準網絡。
(3) 通信速率高，傳播速度快 以太網的通信速率目前已經由10M提高到100M、1 000M，甚至10G。
(4) 可分段地實現遠程訪問、診斷和維護。
(5) 支持冗余連接配置，數據可達性強 數據有多條通路，可達目的地。
(6) 系統容量大，不會因為系統擴大出現不可預料的故障，有成熟可靠的系統安全體系。
(7) 投資成本低，包括初期投資、培訓費用及維護費用。
(8) 線路采用變壓器雙端隔離或光纖，抗干擾性強。
4 工業以太網目前存在的問題
現場總線是用于工業控制并為復雜而又惡劣環境的工業現場而設計的，因此對系統的實時性和響應時間有嚴格要求，對供電方式使用環境有特殊要求。由于以太網是為信息通信而設計的，用于工業控制存在以下問題：
(1) 以太網采用CSMA/CD訪問協議，這是一種非確定性的網絡，對于實時性要求高的控制系統，這種不確定性將造成信息不能按要求傳遞。同一網段上受到CSMA/CD媒體訪問控制方式的制約。所謂網段是指連在同一共享式網絡總線上，可以偵聽到對方發出的信息，處于同一沖突碰撞區域（指會發生沖突碰撞的區域）的工作站和服務器連成的網絡區。例如在一個沖突碰撞區域中有一個工作群組（由一臺服務器和多臺工作站組成），當多臺工作站訪問一個服務器時，由于受CSMA/CD的約束，同一時刻只允許一個工作站與服務器通信，其它工作站只能等待。各工作站爭搶通信信道，從而使工作站的通信產生延時，而且這種延時時間是不確定的，工作站愈多爭搶通信等待時間愈長，這種情況被稱為負荷愈重等待時間愈長。
若在一個碰撞域中，假設有兩個工作群組，處于一個碰撞域中，第一個工作群組工作站訪問服務器時，要競爭網絡寬帶（例如100M），另一個工作群組中所有工作站及服務器都處于等待狀態而無法運行。兩個工作群組要分割原有網絡寬帶（100M），一個工作群組工作時，另一個群組必須等待，這樣不僅具有延時，而且這種延時是不確定的。由于CSMA/CD有無法預見的延時，特別在重負載下，實時數據傳送更得不到保證。控制系統要有實時性保證，必須在任何時間都要及時響應，不允許有任何不確定性。因此以太網用于控制系統必須解決實時性和不確定性問題。
(2) 以太網在可靠性方面不如現場總線，現場總線是為工業控制設計的，能適應易燃、易爆（如化工、制藥）、干擾強烈場合及其它環境惡劣的場合。現場總線有屏蔽，接地與防爆等措施，而以太網需要解決這些問題。
(3) 現場總線規范要求網段上配有電源，為所有非自供電的設備提供電源，而以太網不提供電源，必須增加額外的供電電纜。
5 工業以太網的應用可行性
工業以太網用于工業控制，對于上述問題，隨著以太網技術的發展和相應措施的實施，其實時性及可確定性取得很大改善：
(1) 不斷提高以太網速率：近來年以太網的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps并已廣泛應用。目前10Gbps的以太網已經商業化，數據傳輸時間大大縮短，響應時間得到提高，系統的實時性及不可確定性得到了改善。
(2) 采用交換機以太網技術：由于共享式以太網工作站點爭搶信道而產生沖突碰撞影響了系統的實時性和不確定性，采用交換機以太網技術可使其得到改善。交換型的以太網中采用以太網交換機，交換機各端口之間同時可以形成多個數據通道，每個端口可連一個網段，端口之間幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD介質訪問控制協議的約束。當系統包括多個工作群組，一般讓每個組群單獨組成一個網段，每個網段占用交換器（機）一個端口（如圖4所示交換機有A、B、C、D四個網段），各網段的工作大部分時間是獨立的，當任意兩個網段需要信息交換時，交換機能在2個獨立網段之間建立信息通道（例如圖4的A、B），一旦信息交換結束，通道即斷開。
圖4 交換機隔離的網段
由此看出，交換式以太網可以克服共享式以太網存在的問題：
• 交換機每個端口上，可連接一個網段，每個網段可獨享帶寬；
• 交換機每個端口上，所接網段之間是獨立的、被隔離的，如需要網段間進行信息通信的話，可以暫建立信息信道，經過交換機的隔離，可大大減小沖突發生的概率，改善實時性和不確定性；
• 交換機VLAN技術的普遍采用，使交換系統能夠分配給控制信息點專有的通道和帶寬，從而保證在網絡繁忙的時候，控制系統仍有足夠寬裕的帶寬，使以太網信息傳輸的實時性和不確定性基本上保持在理論的水平上。
(3) 在某些應用場合允許的情況下，盡量將控制網與信息網分割開來使用，以避免實時數據與非實時數據的碰撞，使工業控制站點之間的以太網為獨立網段，從而改善實時性和不確定性。除此之外，還可以采用全雙工技術降低網絡負載，以及在Ethernet+TCP/IP協議的基礎上制訂統一并適用于工業現場控制的應用層技術規范等措施。采取以上措施可以使工業以太網在某些軍事、工業、民用的領域的現場測控中得到初步應用。例如，國外不少國家核加速器最新測控方案選擇了以太網，除此之外汽車裝配線、薄鋼生產線等均采用工業以太網的方案，從測控領域的發展方向上看，工業以太網將是未來測控領域中的一個重要發展方向，也是企業管控一體化和智能建筑系統集成的一種最佳方案。
(4) 以太網的供電問題，多年來一直是一個缺陷，特別是隨著IP電話、IP攝像機、無線AP、ENC（Ethernet Control System）等系統的應用，人們更提出以太網在傳輸數據的同時，傳送部分能量，以滿足小型網絡設備用電的需求，解決小型網絡設備供電的無序狀態和居高不下的電源布線成本。因此IEEE 802.3af標準呼之即出，已形成一個以太網供電的國際標準，目前3COM、華為、DLINK等公司都有符合802.3af標準的交換機產品。IEEE 802.3af 標準的核心是在滿足802.3 標準的同時，由交換機向網絡終端設備提供48V或24V電源，至此工業以太網的供電問題得到很好的解決，其原理如圖5所示。 
圖5 以太網自供電原理圖
(5) 以太網是一種網絡形式，TCP/IP協議是一種開放通信協議。安全問題不屬于網絡形式和TCP/IP協議。網絡的安全性最終關心的是在網絡上傳輸的應用層信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及傳輸的安全不外乎兩種方式：專有獨立通道和信息加密。前一種方式目的是讓不該得到的得不到，后一種方式讓不該得到的得到了也不知道。以太網的虛擬專用網交換技術現已成為一種最基本的網絡專用通道技術，已經非常成熟并廣泛使用。以太網可以很方便的將需要的通道隔離出來。Internet的信息加密是TCP/IP之上的基本與之無關的應用信息處理方法。信息在發出之前要進行加密處理，信息在使用之后要進行解密處理。現在基本上都采用公開的加密算法，秘密不靠加密方法保證，而是靠密碼（key）。信息安全的最后和最關鍵的因素是持有重要密碼的人，他保管使用密碼的過程、方式是通信系統的安全的核心。
6 工業以太網在智能建筑中的應用實例
(1) ENC-2001IP工業以太網測控系統簡介
北京樓宇自動化工程中心（簡稱為北京樓宇自控中心）采用ENC-2001IP工業以太網測控系統對某小區15棟高層住宅的充配電、換熱、采暖、通風、供水、消防、三表查收及樓宇對講六個子系統遠程監控，取得較好效果。
ENC工業以太網控制系統結構框如圖6所示。
這些ENC參量控制模塊可以把智能建筑各子系統集成到以太網、電梯系統、火災報警等傳統設備上，帶有RS232或RS485接口，分別可接到ENCTRS200及ENCTRS400網關轉換模塊集成到以太網上，而IP電話及IP攝像機可以直接集成到以太網上。除此之外還提供CDMA/GRPS無線網關接口，例如系統報警信息即可通過該網關接口直接發送到手機上，并可通過手機對系統進行控制。
圖6 系統結構框圖
AI：模擬量輸入模塊（ENC AI） DI：數字量輸入模塊（ENC DI）
AO：模擬量輸出模塊（ENC AO） DO：數字量輸出模塊（ENC DO）
FI： 脈沖輸入模塊（ENC FI） FO：脈沖輸出模塊（ENC FO）
網絡實現數據管理系統：對底層設備的實時數據進行管理。
WEB服務：完成對整個系統的操作控制。
本地監控管理站：實際上是本地監控瀏覽器（Broswer）通過瀏覽器，可對系統監視。
遠程工作站：實際上是遠程監控瀏覽器（Broswer）在網上通過瀏覽器對系統進行監視
(2) ENC參量集成模塊
ENC參量集成模塊由北京樓宇自控中心開發。
① 功能
• 內嵌WEB SEVER，可以通過瀏覽器直接對其進行監控，配置校準；
• 客戶認證功能；
• 內嵌防火墻功能；
• 支持SOCKET的通信規程；
• 完善的TCP/IP協議；
• 10/100baset符合IEEE 802.3af 標準的以太網接口。
② 硬件結構：由中央處理器MCU、以太網網卡、傳感器、執行器、I/O接口以及存儲器（電子硬盤），電源組成，如圖7所示。
圖7 ENC網絡參量集成設備硬件結構圖 、
圖8 系統圖
③ 系統結構：內嵌WEB SEVER，可與客戶端（Broswer）進行通信，如圖8所示。
(3) ENC系統特點
① 實現信息網絡與控制網絡統一
取消控制網與信息網的界限，控制信息化。所有設備通過ENC參量集成模塊或接口直接集成到以太網上，ENC參量控制模塊都是一個網絡服務器，內嵌WEB服務器。
② 采用網絡控制服務管理方式
中央控制中心是一套主服務器，控制各參量集成模塊，可集中或分布處理各種數據，通過參量集成模塊完成各種類型控制要求。
③ 系統結構簡單，組網方便靈活，擴展維護方便
該系統通過以太網進行集成，智能建筑中局域網是不可缺少的，利用局域網這些模塊可以就近插接，不用重新布線，所需器件均為標準化的，組網方便靈活，擴展維護方便。
④ 將控制系統升級為服務系統
該系統始終貫穿一種服務的理念，將設備的控制升級為設備對外提供的信息服務。這種服務的對象可以為人，也可以為機器。建筑中有了眾多設備提供的優秀服務，智能建筑就成了一套智能服務系統集合，這正是人們所期待的。
7 結語
20世紀90年代以來，工業以太網取代控制網絡進行了嘗試，有不少成功的案例。以工業以太網為核心的測控技術是測控領域中的一個重要發展方向，但其實時性、可靠性、安全性、互操作性等尚需進一步研究完善。
參考文獻：
[1] 方甲松. ENC系統—智能建筑一體化集成的一種完整的解決方案[J].
[2] 劉晨吉等. 關于現場總線技術發展的思考[J]. 自動化博覽. 2002, 5.
[3] 陳嘉. 自動化系統底層通信網絡的以太網實現[J]. 自動化博覽. 2002, 5.
[4] 張公忠. 現代網絡技術教程[M]. 電子工業出版社, 2003.
[5] 趙哲身. 工業以太網在智能建筑控制系統中的應用背景[J]. 智能建筑. 2002, 8.
[6] 唐濟揚. 以太網與現場總線技術[M]. 2003.
[7] 802.3af-2003. IEEE . 2003.
編輯精選
