工业以太网的意义和应用分析

以太网技术在工业控制领域的应用及意义 随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。 随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。 Ethernet通信机制 Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。 在OSI/ISO 7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。 Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：某节点要发送报文时，必须先监听网络，如果网络繁忙则坚持监听网络，一旦网络空闲就发送数据;在发送数据过程中继续监听，如果检测到冲突则立即停比发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点此时的网络己经发生冲突，此时冲突各方卞动退避随机等待一段时间后再重新监听网络，该随机时间由BEB(Binary Exponential Back-off)算法确定。 传统商用以太网主要缺陷及解决方案 由于Ethernet是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境的要求，将传统的Ethernet用于工业领域还存在明显的缺陷。但由于其技术简单、完全公开，通过不断改进、提升，市场占有率越来越大，而成本越来越低，进而变成主流。据VDC(Venrure Development Crop)调查报告，如今己有约95%的网络节点具有Ethernet接口。随着IT技术的快速发展，Ethernet引进了许多新技术和新标准，不仅提高了Ethernet实时能力，还进一步增强了柔性和可靠性，使Ethernet应用于工业现场设备之间的通信成为可能。 交换机是数据链路层的多端口网桥，也可以说是一种智能HUB它能够读取正在传送的数据的目的地址并把它转发到相应的端口，在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接。从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出。在普通交换设备中，一个节点传送的数据都要被广播到其他的各个节点，采用了交换技术之后，发送的数据通过交换机就直接送到了希望接收的目的地址，这就使得多个数据可以同时发送。交换机主要用来把网络分成不同的冲突域，同时对网络进行扩展。这种网络的性能主要由传输和接收的元件性能决定。通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路。这样，在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。 交换式Ethernet克服了传统Ethernet的缺点，大大提高了网络性能，使原来的共享式带宽变成了独占式带宽.较好地解决了带宽问题。对于普通共享式Ethernet，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(如100Mb/s)的N分之一；而使用交换机之后，虽然数据传输速率仍为100Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此整个局域网的可用带宽相当于N*100Mb/s。 使用交换机，还可以对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段节点之间数据的传输只限在本地网段进行，而不需要经过主干网，也就不会占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。而全双工通信又使得端口间两对传输线路（双绞线或光纤等）上分别同时接收和发送报文帧，而不发生冲突，因此也不再受到CSMA/CD的约束。全双工交换式Ethernet已经成为一个确定性网络，不会因冲突而引起通信非确定性，Ethernet的通信实时性得到了保障。 工业可靠性 由于传统的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。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，可恢复性以及可维护性。 随着技术的发展，Ethernet的网络传输线已从昂贵且难以安装的同轴电缆变化到廉价的非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力可与4~20mA模拟传输线路相当，如果需要更强大的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤网络。为了提高工业以太网的工业可靠性，在进行系统设计时，可通过可靠性设计提高现场设备的可靠性；采用环形冗余结构Ethernet以提高系统的可恢复性；采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。 安全性 在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。以太网系统的本质安全包括几个方面，即工业现场Ethernet交换机、传输介质以及基于Ethernet的变送器和执行机构等现场设备。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60~70mA的这种缺陷已经得到解决，因此过去低功耗的Ethernet现场设备设计难以实现的要求和目标已经完全可以满足。 在目前技术条件下，对于没有严格的本安要求的非危险场合，对以太网系统可以采用隔爆防爆的措施，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不会外泄，以保证系统运行的安全性。对于有严格的本安要求的危险场合，则可以直接采用本安型的工业以太网设备等防爆措施。 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3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，但同时也引入了一系列的网络安全问题，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。 另外，最新推出的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规也进行了定义。Ethernet在工业应用过程中的各种问题已经得到根本性的解决。 工业以太网的优势 Ethernet由于其应用的广泛性和技术的先进性，不仅在民用商业领域形成了垄断性优势，在工业应用中也具有传统现场总线所无法比拟的优越性。 带宽高 随着现场设备功能逐级增强，工业网络中传输的数据量将会成倍增加，加之现在有了现场设备要置Web Server以网页形式与外界沟通信息的需求，工业网络对带宽的要求越来越高。而传统的现场总线一般的传输速率仅为1~2Mb/s尽管有些总线可以得到更高的通信速率，如Contro1Net的传输速率为5Mb/s，PROFIBUS-DP可高达12Mb/s，但成本价格昂贵。 作为一种低成本网络技术，Ethernet目前的速率为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10000Mb/s的快速以太网也已开始大量广泛应用，其通信速率比传统的现场总线快得多，完全可以满足工业网络不断增长的带宽要求。 应用广泛 Ethernet是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。以工业以太网为主要研究对象的众多国际组织，如IEA (Industrial Ethernet Alliance)、IANOA (Industrial Automa-tion Network Alliance)等纷纷成立。几个主要现场总线组织(如FF、PROFIBUS、DcviccNct、Con-trolNET和LonWorks等)也在开发基于Ethcr-net的现场总线协议，更有一些公司己在开发具有Ethernet接口的仪表。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，如果采用Ethernet作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境供选择。 以太网与其他技术的对比 以太网技术能成为全球主流的通讯总线技术，是因为其优秀的开放性和灵活性，以及针对高可靠性需求方面的持续发展创新造成的。以太网技术与传统的SDH技术以及CAN、串口等其他的各种现场总线的特点对比如下。 表格 1 以太网与其他技术对比 序号 项目 SDH技术 以太网技术 其他总线技术

1 实时性 实时性较好

单级设备引入的延迟2us 由于传输速率只有几

百Kbps，实时性差

2 传输带宽

64K，2M，622M，1.25G 需要多级复用 10M，100M，1G，10G甚至100G，无需复用 带宽很低，一般为几百

Kbps

3 时钟同步性能 同步时分复用，同步精度较高 IEEE1588及同步以太网技术同步精度可达

100ns甚至10ns以下

大部分不支持时钟同步；最好的IRIG-B传输，同步精度也在10ms左右

4 承载业务 语音业务为主 视频、语音、测量控制多种业务 测量、控制等小业务量

5 兼容性 兼容性一般 良好的兼容性 互不兼容

6 冗余性能

单向环，双向环，DXC保护，冗余性能50ms 多种冗余保护拓扑 冗余性能50ms 总线型或树型拓扑

无冗余特性

7 效率

时分复用，带宽利用率低 高效传输，网络带宽利用率高 固定带宽，对突发业务