基于 Internet 的工业控制网络
席亚宾，马永光， 林永君
（华北电力大学工业过程仿真与控制试验室，河北 保定 071003）
摘要：随着以太网和 TCP／IP 越来越多地进入控制领域，工业控制网络正面临着严峻挑战．鉴
于此，本文通过对基于 TCP／IP 协议的网络化智能仪表和嵌入式 Internet 技术的深入分析，
提出了一种新型的网络体系结构——基于因特网的工业控制网络．探讨了控制网络与
Internet 集成的发展趋势，分析了基于 Intemet 的工业控制的研究现状和发展趋势。
关键词：控制网络；以太网；Internet
Internet-based industrial control network
XiYabin,MaYongGuang ,LinYongJun
(Industry Process Simulation & Control Laboratory,North China Electric Power
University,BaoDing 071003,China)
Abstract:With Ethernet and TCP/IP infiltrate into control field more and
more,industrial control network is faced with ,combined with
thorough analysis of TCP/IP protocol network intelligent sensor and embedded
Internet,Internet-based industrial control network is brought the
tendency of control network integrating with Internet,and analyzes the current
reseach actuality and tendency in the end.
Keywords:control network;Ethernet;Internet
0 引 言
现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术。随着信息技术的飞速
发展和工业自动化要求的不断提高，控制网络所担负的工作越来越重。与数据信息网络不同，
工业控制领域需要的是—种高速廉价、实时性和开放性好、可靠性高的网络。以往的 DCS
使用的是专用私有控制网络，由于其封闭性，已经越来越多地被开放的现场总线技术所取代。
人们一度认为现场总线技术的出现，会带来控制网络协议的标准化，但多种现场总线并存的
现实局面却打破了人们的梦想。由于现场总线是设备级的低速数据总线，传输速率低，而随
着仪器仪表智能化的进一步提高，将有越来越多的现场设备图像和视频信息需要在现场级控
制网络上进行传送，这使得信息传递的瓶颈在现场总线技术中仍然存在。在这种形势下，高
带宽的工业以太网就逐渐进入控制领域，也由此导致了控制网络的更加多样化。
1 控制系统与 Internet 集成是工业控制网络的发展趋势
21 世纪是信息化、网络化和智能化的时代，随着 Internet 技术的迅速发展，以太网和
TCP／IP 协议已成为世界范围内的事实标准，基于 TCP／IP 协议的以太网可满足控制系统各
个层次的需求，工业以太网网络开始被应用到工业控制领域。与以往的控制网络相比，以太
网应用于工业控制具有以下几方面的优势：
（1）更高的通信带宽。随着工业自动化程度的提高，要求实现远程控制的设备越来越
多，控制信息不仅包含大量的数据，而且还要传递声音和视频信号．这就需要控制网络提供
更高的带宽。据不完全估计，在今后的 4年里，DCS 产生的控制信息将增加 20—30 倍，PLC
从场地设备采集的信息预计也将增加 10—20 倍。当前,现场总线一般的传输速率为 1—2Mb
／s，缺少升级到几兆速率的能力来支持数以干计的设备。以太网是一种成熟的、快速的网
络协议，数据传输速率为 l0—100Mb／s，新一代以太网的传输速率更快，可达到 lGb/ s，
能够满足不断增长的数据通信需要，成为企业范围的主干网络。
（2）实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。以太网早已成为企业管理网络的首要
选择，将以太网应用于现场设备的控制网络，实现企业信息网络和控制网络的融合，促进企
业整个信息化的集成，如图 2(c)所示。通过通用的浏览器，并经过身份认证后，企业决策
层、生产管理者、设备维护者乃至用户都可方便地了解到现场设备工作状态的信息。另外，
通过建立设备运行档案数据库，可实现设备从制造、安装到运行的全寿命管理。
（3）控制系统的成本降低。这主要表现在两个方面：一是支持以太网通信的网络设备
比较多，设备成本比较低；二是熟悉以太网网络操作的用户较多，整个系统的培训、维护都
比较容易。因此，与以往的控制系统相比．基于以太网的控制系统的成本可大大降低。
（4）更高的稳定性。光纤网络已成为 Internet 的主干网络，光纤所具有的良好的抗噪
声干扰性能使得以太网更加适合使用在实时监控的高噪声设备现场环境。
2 控制网络结构
从某种意义上来说，现场仪表的智能化水平对控制网络的体系结构有很大影响。同时，
仪表智能化水平的高低，又与嵌入式技术以及集成电路技术息息相关。以往嵌入在现场仪表
中的 8 位和 16 位微处理器芯片，由于存储空间小、运算速度低，不足以处理以太网和 TCP
／IP 复杂的通信协议，这大大影响了现场仪表的智能化程度和网络性能。
随着微电子、集成电路和嵌入式技术的快速发展，32 位或更高速度的微处理器芯片已
经问世。这些高速微处理器提供了更大的存储空间和更高的运算速度，可以很好地处理 TCP
／IP 等复杂协议。设计者可以在单片机系统上实现以太网技术，将以太网接口直接嵌入到
现场设备中去，使以太网通讯直接到达现场设备级。从而，使嵌入式系统和 Internct 结合
起来的想法成为可能，并导致了嵌入式 Internct 的出现。通过引入 TCP／IP 协议，使得设
备更加智能化，从而使嵌入式设备具有越来越优良的网络特性。
与此同时，大多数嵌入式 RTOS(实时操作系统)制造商也已经扩展了他们的嵌入式操作
系统，通过将一个小的 Web 服务器作为操作系统的一部分，使其来支持 Web 功能，从而使得
嵌入式设备变成了简化的瘦 Web 服务器，这样设备能和其它的 Web 服务器通过 HTML 页进行
通讯，所以 Internet 上的 Web 服务器能直接访问到它们。此外，WindowsCE 目前也正在被
考虑作为设备和控制器的嵌入式实时操作系统，由于 TCP／IP 是 Windows CE 的一部分，到
那时将无需在现场设备中再开发 TCP／IP 协议。所有这些，都使现场设备中集成网络服务器
的功能成为可能。运用嵌入式 Internet 技术，将以太网接口、TCP／IP 协议等直接内嵌在
现场设备中，从而产生了基于 TCP／IP 协议的网络化智能现场仪表 (有人将其称为“IP 传
感器／执行器”)。这种面向网络的 IP 传感器／执行器，将传感、信号处理、控制功能、以
太网接口、TCP／IP 协议、RTOS 以及小型 Web Server 等软、硬件全部封装在一起，使现场
设备成为名副其实的瘦 Web 服务器，在 Internet 上通过 IE 浏览器就可以直接对其进行组态
和维护管理。
目前，嵌入式 Internet 技术已经成为嵌入式系统的一个研究热点，研究领域涉及家庭、
工业、农业等诸多方面，通过嵌入式技术赋予智能设备更多的“思考”、“感觉”和“交流”
能力。这些技术的进步，都将变革传统控制网络的体系结构。针对这种情况，作者提出了一
种新型的控制网络结构体系——基于 Internet 的工业控制网络，见图 1。
服务器 工作站 工作站
防火墙
接入
Internet
远程智能
I/O
内置以太网接口
和Web Server
内置以太网接口
和Web Server
移动工作站
集线器
路由器
嵌入式控制器
集线器
以太网
路由器
图 1 基于 Internet 的工业控制网络结构图
这种新型的网络较传统的控制网络具有很多优越性。它充分利用了以太网高效率的通讯
特性和面向网络的智能现场仪表技术的最新研究成果，整个控制网络信息通过以太网进行透
明传输。在这里，再没有复杂的网络结构，也不存在控制网络和信息网络之分，它使网络成
为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体，使得控制网络的体系结构得到了最大程度的简化，
顺应了控制网络和信息网络进一步“扁平化”集成的趋势。网上每个智能现场设备由于实现
了以太网和 TCP／IP 功能，具有内嵌的 Web Server，在组态上可以就近直接连接到企业信
息网络中，和 Internet 上的 Web 服务器进行直接通讯。每个智能现场设备像智能卡一样，
是一个完整的 Internet 节点，实现真正的即插即用。这种网络体系结构可以实现真正意义
上的远程控制、维护和管理，目前的智能控制、维护和技术管理系统，主要采用现场总线技
术，在本地进行控制、维护和管理。要实现远程监控，必须通过 Internet 接通远程异地控
制网络，同时还须具备 3个条件。这种新型控制网络形式的出现，将改变这种状况，将本地
控制和远程控制融合在一起，通过 Internet 上的 Web 服务器就可以进行控制和维护。
3 嵌入式 Intemet 控制网络研究现状及其趋势分折
我们必须看到，要实现这种新型的控制网络体系结构，需要一个过程。在这个过程中，
需要解决仪表间互操作和网络稳定性等诸多问题。目前，对网络控制系统的调度和稳定性问
题，有关专家已经在进行着探索性的研究工作。在面向网络的智能现场仪表的开发方面，很
多研究人员和研究机构致力于应用 IEEEl451 协议，开发内嵌变送器电子数据表(TEDS，
Transducer Electronic Data Sheet)的即插即用型网络化智能传感器／执行器。IEEEl451
协议制定了从传感器／执行器到网络的标准数字通讯规约，使得传感器／执行器之间以及传
感器／执行器和网络之间实现了互操作。TEDS 的引入使得现场仪表具有自辨识能力，它能
向网络描述自己的特征，便于网上设备对其进行识别。Internet 上即插即用型现场智能仪
表的研究开发以及网络控制系统调度和稳定性分析方面的工作，为基于因特网的工业控制网
络的早日到来奠定了技术基础，积累了经验。
目前，市场上具有嵌入式以太网接口和 TCP／IP 协议的职能设备很多。SENA 公司开发
了一个小型的实验室系统，全球的 Internet 用户可以在网上通过浏览器访问并控制实验室
的职能设备，对台灯亮度、窗帘开度进行控制。OP—TO22 公司，应用嵌入式 Internet 技术，
研制开发了“以太网 I／O 系统”——SNAP Ethernet I／O 系统，通过 Internet 对分布在
现场的 I／O 进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。目前 OPTO22 公司的 SNAP
Ethernet I／O 系统已经升级到 SNAP U1—timate brain，它不但可以运行控制程序，还具
有强大的通讯处理能力，可以和各种采用 ModbMs／TCP、SNMP、SMTP 等协议的设备通讯。TEXAS
智能仪表公司推出了基于 Web 的以太网 I／O，用来将现场设备连接到 Web 上，Internet 上
的 Web 服务器通过设备的 URL 就可以接触到实时数据和设备的图像信息，在文献[40]中，K。
K。Tan 等人设计了一个实验训练系统，允许 Internet 上的用户通过 Web 浏览器远程、有效
地操作控制仪器设备。此外，NI 和 Schneider 电器也都提供了以太网到现场 I／O间的通讯，
Sixnet 也提供了自己的以太网 I／O模块。就连电力自动化、楼宇自动化、家庭自动化等原
先为现场总线统治的领域，也已有大量的以太网产品出现。“Internet Everywhere”的理
念正得以逐步实现。
随着嵌入式微处理器速度的进一步提高，以及 Internet 在我国各行各业的逐渐应用，
将会有更多的具有嵌入式 Web Server 的即插即用型职能现场仪表被开发出来，从而会产生
比以往 PC 时代多成百上千倍的瘦 Web 服务器和超级嵌入式瘦 Web 服务器。这些瘦 Web 服务
器将与我们这个世界所能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过 Internet 网提供给
需要这些信息的任何对象。在未来 10 年内，随着嵌入式智能芯片的进一步发展，尤其是
SOP(System on Chip)的发展，将掀起基于因特网的工业控制网络及相关技术研究的热潮。
作者认为，这种新型的控制网络在工业自动化和过程控制领域将有广阔的发展前景。
4 结束语
随着集成电路、工业以太网和嵌入式 Internet 技术研究的进一步深入，基于因特网的
工业控制网络时代将会很快到来，并成为最具开放性的工业控制网络体系结构。这种新型的
网络体系，与现场总线在以太网方面的发展相呼应，对传统的控制网络是一个变革，必将为
工业控制领域带来新的天地。它采用基于 TCP／IP 协议的即插即用型智能现场设备，将现场
数据直接传输到企业本地或异地管理网上，无论对于企业信息集成还是控制系统维护和管
理，都将具有深远的意义。控制网络体系结构的变革对包括控制理论在内的许多研究领域都
将产生重大影响，对传统控制理论相应地提出了新的挑战，对控制系统的分析也将从“系统
和控制”概念转变到“网络和控制”范畴，分析的对象不再是孤立的控制过程，而是整个网
络控制系统的稳定性分析、调度管理和鲁棒性问题等。另外，以太网不支持总线供电，这个
问题对于安全防爆等特殊应用场合还需进一步解决。
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中国科技论文在线
