工业以太网相对DCS,FCS的优势及不足

微机控制系统及其应用

工业以太网相对DCS，FCS的优势及不足

学院： 电气工程学院 班级： XXX 姓名： XXX 学号： XXXXXXXX

工业以太网相对DCS，FCS的优势及不足

摘 要：本文简单介绍了工业控制网络中DCS、FCS和工业以太网的特点，指出了工业以太网相对前两者的优势所在，并分析了工业以太网现有的几个问题，最后提出了几种解决方案。

关键词：工业以太网，DCS，FCS，工业控制网络，实时性，非确定性

Abstract: This paper briefly introduces DCS, FCS and industrial Ethernet in industrial control network, and points out the advantages of industrial Ethernet compared with the two formers, then analyses several problems in industrial Ethernet, finally puts forward several solutions.

Key words: industrial Ethernet; DCS; FCS; industrial control network; real-time; uncertainty

0 绪论[1-3]

在工业自动化领域，工业以太网已经在实际应用中渐成规模之势。而关于工业以太网和现场总线在未来发展中是彻底替代还是相互融合的争论到今天也没有停止过。然而，工业以太网能够实现现场总线所无法实现的一些功能已成不争之实。再加上用户对拥有一个开放式的通信网络的要求日益迫切，以太网依托IT行业成熟自如的应用经验，已经在工业领域占据越来越重要的位置。

从最初几年的概念性炒作，到如今呈迅猛发展的态势，工业以太网以每年超过50%的增长率渐为越来越多的用户所熟悉并应用。

目前，积极推进这一技术概念的包括基金会现场总线（2000年发布其工业以太网规范FF-HSE）、德国西门子公司（2001年发布其工业以太网规PROFINET）、美国罗克韦尔自动化公司（2000年发布其工业以太网规范EtherNet/IP）和法国施耐德公司（1998年发布其工业以太网规范ModbusTCP/IP）等。

1 DCS、FCS和工业以太网简介

工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。它的发展经历了DCS、FCS、工业以太网等几个阶段。

1

生产规模的扩大和复杂程度的提高推动着现场总线和现场总线控制系统的发展。从20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统，到七八十年代的集中式数字控制系统，到八、九十年代的集散控制系统（DCS），再到近些年的现场总线控制系统（FCS）。

这些纷繁复杂的现场总线在提高系统工业控制系统的性能和自动化程度的同时，也让用户陷入如何选择现场总线、如何延长系统寿命、如何保护已有投资和如何与上层的办公自动化网络连接的困惑当中。

工业以太网的推出，有助于解决上述问题。在世界各国研发机构的共同推动下，以太网技术获得了极其快速的发展，工业以太网将成为工业控制网络的主流发展方向。

1.1 集散型控制系统(DCS)简介

集散控制系统[4-5](DCS: Distributed Control System)是以多台微处理器为基础的集中分散型控制系统。自20世纪70年代中期首次推出后，就一直占主导地位的控制系统框架。经过近30年的发展，DCS已日趋成熟，得到了业界人士的广泛认可，其软件资源丰富，有上百种功能模块，控制功能多样、操作简便，有较好的运行特性，另外，依靠其灵活方便、功能丰富的组态功能和可靠的网络通信能力以及强大的监控、协调管理功能，DCS已广泛用于石油、化工、电力等行业，基本上满足了大、中、小控制功能的要求，但不可否认的是，现代工业对自动化控制系统的要求越来越苛刻，集散控制系统DCS已无法完全满足市场需求，其应用受到一定的约束。

目前的DCS主要具有以下特点：

(1) 标准化的通信网络。开放系统的网络应符合标准的通信协议和规程。在DCS中已经采用的国际通信标准有：IEEE802局部网通信标准、PROWAY过程控制数据通信协议和MAP制造自动化协议。这些标准使DCS具有可操作性，可以互相联接，可以共享系统的资源，可以运行第三方的软件等。

(2) 通用的软、硬件。早期的DCS厂家为了技术保密而自行设计开发生产，使各DCS间不仅不能互联，且用户需储备大量备品备件，极不方便。目前DCS厂家纷纷采用专业厂家的标准化、通用化、系列化、商品化的产品。

(3) 完善的控制功能。DCS依靠运算单元和控制单元的灵活组态，可实现多样控制策略，如：串级比值、均匀、前馈、选择性、解耦等控制；还可实现先进控制，如：状态反馈、预测控制、智能控制等。

(4)多年来，DCS基本上是采用一对一的接线方式，即一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号，实际上只能做到半分散，同时它又造成了系统接线庞杂，即使一个简单的控制回路，其信号的必经之路也比较长，会引发许多弊端和隐患，例如工程周期长，安装费用高和维护困难等。

2

1.2 现场总线控制系统(FCS)简介

现场总线控制系统[4-5](FCS: Fieldbus Control System)是采用现场总线作为通信系统的控制系统。DCS的信号传送一般采用4～20mA的电流信号形式，一个变送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。所以处于最底层的模拟变送器和执行机构构成计算机控制系统中最薄弱的环节，即所谓DCS系统的发展瓶颈。FCS正是在这种情况下应运而生。

首先, FCS的结构比 DCS简单,FCS系统中没有了控制器,其控制功能已有现场仪表及设备来实现。更明显的是二者的传输介质差别很大,DCS需要多根导线。 例如100个检测点需101根导线,而 FCS仅需1根双绞线。FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中, 控制分散”的思想。与传统的DCS相比, FCS系统具有高度的分散性, 他可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性,可完成控制的基本功能, 并可以随时诊断设备的运行情况。由于集散控制系统DCS的不开放性,不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用户的选择范围。而现场总线控制系统FCS具有开放性,系统的通信协议一致公开, 各不同厂家的设备之间可实现信息交换,通过现场总线可组成开放互连系统。

与传统DCS相比较，FCS具有以下特点：

(1) 系统结构的彻底分散化，使FCS的控制可靠性进一步提高。FCS的最大特点是采用了全分散的现场控制结构，将过去传统上集中在中央控制系统的控制功能分散下放到智能型现场设备中。每个现场仪表的CPU均可独立完成测量、校正、调节、诊断等功能。出现故障时，只影响本身，而不会影响全局。

(2) 信号传输的数字化，使FCS更具市场竞争力。现场所有传感器或变送器只需共用一对传输导线连接控制室的计算机，简化了整个系统的布线和设计，较DCS可大幅度减少电缆用量；不再需要卡件和传统DCS的主控制卡等部件，从而节省了大量经费(40%左右)；同时数字信号传输精度较模拟信号高得多(约10倍左右)；抗干扰能力强，因此控制质量更好。

(3) 通信协议的开放性，有利于系统网络间的互联，实现网络资源共享。同时，不同FCS的现场设备具有互换性和可互操作性，备品备件减少，便于用户的扩展和再开发。

( 4)智能化电机控制中心(MCC)。MCC总线利用率80%以上, 不仅完成单向或双向电机的现场与远程控制, 过流与速断、 接地、 不平衡等控制外, 还能通过总线读取电机电流、 电量、 故障等状态、 开停次数等多种电机状态信息。

FCS整体结构上是DCS的继承和发展，它将控制进一步分散到现场，同时又能集中监控和管理整个生产过程。因此说，FCS是全数字、全分散、全开放的新一代控制系统。

3

1.3 工业以太网简介

工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术经过多年发展，特别是它在internet中的广泛应用，使得它的技术更为成熟，并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。另外，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、internet的联系更为密切。控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通信性能的要求，这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。[1]

为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会(industrial Ethernet association，IEA)，工业自动化开放网络联盟(industrial automation network alliance，IAONA)等组织，目标是在世界范围内推进工业以太网技术的发展、教育和标准化管理，在工业应用领域的各个层次运用以太网。美国电气电子工程师协会(IEEE)也正着手制定现场装置与以太网通信的标准。这些组织还致力于促进以太网进人工业自动化的现场级，推动以太网技术在工业自动化领域和嵌入式系统的应用。

以太网技术最早由Xerox开发，后经数字设备公司(digital equipment Corp.)、Intel公司联合扩展，于1982年公布了以太网规范。IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的。按ISO开放系统互联参考模型的分层结构，以太网规范只包括通信模型中的物理层与数据链路层。而现在人们俗称中的以太网技术以及工业以太网技术，不仅包含了物理层与数据链路层的以太网规范．而且包含TCP/IP协议组，即包含网络层的网际互联协议IP、传输层的传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议SMTP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、再加上超文本链接HTTP、动态网页发布等互联网上的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。因此工业以太网技术实际上是上述一系列技术的统称。

工业以太网与OSI互联参考模型的对照关系如图1.1所示。

应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用协议TCP/UDPIP以太网MAC以太网物理层 图1.1工业以太网与OSI互连参考模型的分层对照

从图1.1可以看到，工业以太网的物理层与数据链路层采用IEEE802.3规范，网络层与传输层采用TCP/IP协议组，应用层的一部分可以沿用上面提到的那些互联网应用协议。这些沿用部分正是以太网的优势所在。工业以太网如果改变了

4

这些已有的优势部分，就会削弱甚至丧失工业以太网在控制领域的生命力。因此工业以太网标准化的工作主要集中在ISO/OSI模型的应用层，需要在应用层添加与自动控制相关的应用协议。

1.4 工业以太网的优势[5-6]

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。因此以太网有以下优点:

(1) 采用工业级电源。工业级电源输出功率大可以提供比较大的工作电流滤波功能，完善抗干扰能力，通常采用冗余结构。一旦一台电源发生故障，备用电源可以自动投运保证控制系统的正常运行。

(2) 网络采用冗余结构。为了保证控制系统通讯的可靠性工，业以太网通常采用冗余结构。在一条网络发生故障时，网络控制软件可以自动在最短时间内切换到备用网络保证通讯的安全和可靠。

(3) 网络抗干扰能力强。应用中一般采用完善的接地保护屏蔽电磁干扰。高端应用中通常采用光纤作为网络的物理介质，不但通讯速率高而且彻底消除了电磁干扰的影响。

(4) 工作温度范围宽。工作温度范围通常为-40℃～70℃，湿度为5%-95%，超过了商用和办公室应用的以太网设备。

(5) 具有特殊的组态算法。工业以太网不但在物理介质上采用冗余结构，还具有特殊的网络组态算法。工业以太网通常采用速度更高的网络组态算法，在很短的时间内就可以重新组态网络。

(6) 安装方便。工业以太网通常采用卡轨结构安装和拆卸方便有的产品还支持热插拔。

(7) 机械强度高。工业以太网通常采用特殊设计的外壳和插头，可以承受一定的震动和机械应力的作用，坚固的工业级设计。

(8) 支持远程诊断和安装。工业以太网中通常都有专用管理命令，可以便捷地实现网络节点故障远程诊断，并且可进行增加删除启动停止组态等操作。

(9) 易于和PC机通讯。只要具有以太网卡的PC机，从原理上说都可以和工业以太网系统中的控制节点通讯。实际应用中原来基于商业以太网开发的各种以太网报文侦听和流量优化控制软件，甚至可以不加改变的应用到工业以太网控制系统中。

(10) 易于挂接到互联网上。由于以太网标准实际上是一个物理层的标准。在常用的以太网应用中，其上层协议一般采用OSI的分层方法，这样就方便了基于Internet开发各种应用程序。

5

2 工业以太网存在的不足以及解决方案

由于实际工业控制现场往往环境条件恶劣，因此工业控制系统中的工业以太网在设计时要考虑满足工业现场实际应用中存在的问题，只有很好的解决了这些问题，才能拿出相对比较合理的方案。才能从根本上保证工业网络控制系统的正常运行。

2.1 工业以太网存在的不足

由于工业以太网是一个正在发展的标准，其各种标准依然在指定和完善中，工业以太网技术必须面对在工业环境下作为控制网络要解决的一系列问题。[7]

(1) 通信实时性问题

以太网采用的CSMA／CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实可行的解决方案。

(2) 对环境的适应性与可靠性问题

以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等是许多从事白动化的专业人土所特别关心的。在产品设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好的抗振动、抗疲劳能力。

(3) 总线供电

在控制网络中．现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可利用网线对现场设备供电。工业以太网目前还没有对网络节点供电做小规定。一种可能的方案是利用现有的5类双纹线中另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10~36V低压供电。

(4) 本质安全

工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题。这是在总线供电解决之后要进—步解决的问题。

2.2工业以太网解决非确定性问题的措施

通信非确定性是以太网技术进入控制领域的最大障碍。控制网络不同于普通计算机网络，其最大特点在于它应该满足控制作用对实时性的要求。实时控制往

6

往要求对某些变量的实时互锁、对测量控制数据的准确定时刷新。以太网技术进入控制领域，其通信的非确定性是必须面对的问题。目前工业以大网技术对此采取了以下措施：

(1) 提高通信速率。在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减少通信信号占用传输介质的时间，从一个角度为减少信号的碰撞冲突，解决以太网通信的非确定性提供了途径。以太网的通信速率一再提高，从10 Mbps，100 Mbps到千兆以太网技术的成功应用，眼下其速率还在进—步提高。

(2)控制网络负荷。从另一个角度看，减轻网络负荷也可以减少信号的碰撞冲突，提高网络通信的确定性。研究结果表明，在网络负荷低于满负荷的30%时，以太网基本可以满足对控制系统通信确定性的要求。

(3) 采用以太网的全双工交换技术。采用以太网交换机，将网络切分为多个网段，就为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，相当于每个设备独占一个网段，使同一个交换机上的不同设备之间不存在资源争夺。

(4) 提供适应工业环境的器件。现已开发出一系列密封性好，坚固、抗震动的以太网设备与连接件，例如导轨式收发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接插件等。它们适合在工业环境中使用，为以太网进人工业控制环境创造了条件。

2.3 工业以太网中若干问题的解决方案

以太网在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、适用环境等诸多方面与实际的现场工业要求有着很大的差异，其所用的插件设备及传输介质不能满足工业现场的需求，出现了抗干扰性及可靠性和安全性等问题。[8]

(1) 工业以太网的可靠性问题的解决

以太网的环冗余是由在一定程度上解决了以太网的容错问题，提高了以太网的可靠性，通过非常清晰和有效的冗余结构，用户获得了非常高的网络和利用率，冗余模构造了一个简单环，能够保证在一个或几个站点同时发送失败的情况下，也能够提供网络的整体功能。许多快速冗余算法为适应环冗余不断出现，即使在重新配置网络的时候，这些算法和以太网环布局也能保证继续生产操作。

(2) 工业以太网的安全性稳定性问题的解决

为了使工业以太网抗干扰能力、外观设计等方面符合工业现场的要求，能适应恶劣的工业环境易燃、易爆、有毒等场合，防止病毒黑客的非法入侵造成工业网络的安全隐患。另外还有实际的总线供电问题。应做到：①控制系统的控制器、I/O模块、操作站、工程师站等硬件设备均能满足环境适应性要求。电源设计、安装方式采用24V DC供电，而不是通常以太网用220V AC。②在实际应用中，Ethernet主干网可采用光纤传输，现场设备的连接采用屏蔽双绞线，提高网络的抗干扰能力和可靠性。对于重要的网段还可采用冗余网络技术。③采用网络隔离

7

(如网关、服务器等隔离)的办法，将控制区域内部控制网络与外部信息。

3 总结

工业以太网尽管已经解决了很多诸如确定性、实时性等技术问题，但在某些领域某些情况下，仍然遭到传统总线和串行通信技术的强有力的“狙击”，暂时无法替代。众多非兼容工业以太网技术的传统自动化硬件仍然是当前工业现场的主要安装基础。对于现场总线产品而言，其向下兼容性优势显而易见，与传统PLC和DCS系统集成也更容易。这是一个传统设备更新的成本问题。同时，星型结构网络的供电也是障碍之一。对于像离散型I/O和小型PLC的少量数据传输情况，以太网有“大材小用”之嫌。

这也是工业以太网与传统总线应用之争一直存在的原因，但随着工业以太网的不断成熟与完善，在大型工业控制现场，工业以太网的大规模应用必将是一个趋势。工业以太网也必将向着安全稳定性更高，自动化程度更强网络拓扑结构更合理，网络带宽更宽的方向发展。

参考文献

[1] 阳宪惠．工业数据通信与控制网络[M]．北京：清华大学出版社，2003 [2] 陈在平．工业控制网络与现场总线技术[M]．北京：机械工业出版社，2007 [3] 张立众．工业以太网应用的研究[J]．网络安全技术与应用，2009，10：65-66 [4] 殷红．DCS与FCS在控制系统中的应用比较[J]．机械研究与应用，2006，19（5）：66-67 [5] 常慧玲．现代工业过程控制系统——DCS和FCS[J]．科技情报开发与经济，2000，10（4）：59-60

[6] 曹文彪．工业以太网的应用和发展[J]．学术论坛，2008，8：265-266

[7] 李静．工业以太网在工业自动化系统中应用及前景[J]．承钢技术，2008，1：30-32 [8] 葛永翠．工业控制中以太网技术的发展与研究[J]．科技广场，2008，1：59-61 [9] 沐可．工业以太网到底好在哪里[J]．现代制造，2007，4：64

8

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1gyo.html