工业以太网在现代化工业领域中的应用及分析

一、 概述

　　众所周知，在企业信息系统中，以太网已经成为事实上的标准网络，工业实时控制是传统以太网的延伸，帮助用户构建更加开放集成的工业自动化和信息化网络。工业以太网技术，它是标准以太网和通用工业协议的结合。首先他满足了工业自动化的实时性要求，最初的以太网采用的CSMA/CD无法满足工业实时性需求，当时采用的主要是现场总线和令牌环网，随着技术的改进，交换机在实时性方面已经满足从高精度时间同步（+-100ns）、分布式伺服控制、离散控制、过程控制到安全系统等所有工业应用要求，并支持现场和远程监视、诊断和组态;当然，EtherNet/IP产品也可使用其他标准以太网上的服务如HTTP、SNMP等。这意味着，工业自动化和企业信息系统更直接的集成，比如，无须附加编程，相关人员就可方便地通过网页浏览器来组态、诊断并监视工厂设备。此外，EtherNet/IP还从EMC、安装防护等级各方面做出规定，保证EtherNet/IP产品的严格工业环境适应性。

二、工业以太网技术的特点

　　2.1 通信确定性与实时性

　　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，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于EtherNet采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。 然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，EtherNet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。EtherNet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞;同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使EtherNet通信确定性和实时性大大提高。

　　2.2 稳定性与可靠性

　　传统的EtherNet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，德国Hirschmann等公司专门开发和生产了工业以太网交换机等产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电。

　　2.3 安全性

　　工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业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，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。但同时也引人了一系列的网络安全向题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。

　　2.4 总线供电问题

　　总线供电（或称总线馈电）是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现场设备供电可以采取以下方法：

　　（1）在目前以太网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开来。 （2）不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。

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