工业以太网

工业以太网(Ethernetfor Plant Automation,EPA)

　　工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网会采用TCP/IP协议，和IEEE 802.3标准兼容，但在应用层会加入各自特有的协议。

　　1)具有相当高的数据传输速率(目前已达到1OOMb／s)，能提供足够的带宽；

　　2)由于具有相同的通信协议，Ethemet和TCP／IP很容易集成到IT(信息技术世界）；

　　3)能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；

　　4)在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；

　　5)沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；

　　6)允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引人以及双工的布线等工业以太网以其低成本、易于组网、数据传输速率相当高、易与Internet连接和几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发的优点而被广大工程人员忽略。

　　1)系统响应的实时性。工业以太网是与工业现场测量控制设备相连接的一类特殊通信网络，控制网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。在工业自动化控制中需要及时地传输现场过程信息和操作指令，要能够支持和完成实时信息的通信。这不仅要求工业以太网传输速度要快，而且响应也要快，即响应实时性要好。

　　2)网络传输的确定性。即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。以前，以太网被认为不能用于工业控制领域，这主要是因为以太网的CDMA／CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)的确定性，而现在随着以太网速率不断提高，加上确定性调度算法的研究突破，使网络负荷进一步减轻、碰撞减少，系统的确定性已得到了很大的提高。

　　3)总线供电技术。电气电子工程师协会于2003nian6月批准了以太网供电PoE标准-IEEE802．3af。PoE技术是指对现有的以太网CAT一5布线基础架构不用作任何改动的情况下，借助于一根常规以太网线缆在传输数据的同时供应电力，从而保证该线缆在为以太网终端设备传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电。

　　4)要求极高的可靠性。工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性，具体表现在以下三个方面：①可使用性要好，网络自身不发生故障。②容错能力强，网络系统局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作。③可维护性高，故障发生后能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复。

　　1.传输的不确定性

　　以太网是一种共享型网络，核心技术是CSMA／CD(CarrierSenseMultipleAccess／CollisionDetect)，即带有冲突检测的载波侦听多路访问方法．CSMA／CD是一种争用协议，网络中的每个站点都争用同一个信道，都能独立决定是否发送信息，如果有两个以上的站点同时发送信息就会产生冲突．一旦发生冲突，同时发送的所有信息都会出错，本次发送宣告失败．每个站点必须有能力判断冲突是否发生，如果发生，则应等待随机时间间隔后重发，以免再次发生冲突，因此不能满足控制系统关于精确定时通信的实时性要求，通常被视为“非确定性”的网络．

　　2.可靠性问题

　　传统的以太网不是为了工业应用而设计的，其主要应用于办公自动化领域，同时，以太网本质上采用竞争方式，具有超时重发机制，因此会引发单点故障传播，使得故障节点独占总线而导致其他结点传输失败．

　　3.互操作问题

　　设备间互操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备通过统一的应用层协议进行通信和互相控制，功能用途相似的设备可以实现相互替代．作为开放系统的优点之处，互操作性为客户保障了来自不同厂商的设备通信的可靠性，使多厂商产品在集成环境中共同工作成为可能．

　　以太网仅仅定义了ISO／OSI参考模型中的物理层和数据链路层，再加上TCP／IP协议也只是在以太网上面提供了网络层和传输层的功能，在应用层没有作技术规定．

　　4.安全性问题

　　工业以太网把传统的集散控制系统中的信息管理层、过程监控层、现场设备层统一起来，使数据的传输速率提高、实时性更强，同时它可直接接入Intemet，实现了数据的共享，使公司可高效率的运作，与此同时也带来了一系列的网络安全问题．

　　5.远距离传输问题

　　在工业生产现场，各种测控仪表的物理空间分布比较分散，仪表间的布线距离较远，几十米甚至达到数公里．由于信号沿总线传播时的失真和衰减等干扰因素，以太网协议中对传输系统的线路使用作了具体的规定，例如双绞线(10BASE—T)的长度不得超过100m；使用细同轴电缆(1OBASE一2)时每段的最大长度为185m；而使用粗同轴电缆(1OBASE一5)时每段的最大长度也仅能达到500m，对于距离更长的终端设备，则可使用中继器(但不超过4个)或者光纤通信介质进行连接．在这种情况下，由于使用1OBASE—T双绞线不能达到距离要求，而如果使用1OBASE一2或10BASE一5同轴电缆又不能进行全双工通信，同样，都采用光纤传输介质，一是现场设备的供电不易解决，二是成本同样也非常昂贵，不利于在工业现场的广泛应用．

　　1.对于不确定性的改进方法

　　近几年兴起的交换式局域网技术，为解决以太网传输不确定性提供了技术支持．以太网交换技术的应用，可以将网络冲突域细化．现阶段采用以太网交换机组成的工业控制系统中，每个端口都是一个冲突域，通过交换机可以对每个冲突域进行隔离，交换机每一个端口之间能同时产生多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会在其它端口上广播，端口之间信息、报文的输入和输出不再受到CSMMCD介质访问控制协议的约束；网络拓扑结构采用星型连接代替总线型结构；通信过程中采用全双工通信技术．

　　工业以太网交换机在数据链路层将其网络端口划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相联系的全双工通道，每个站点都可以独享信道，独享带宽，提高了各个站点的数据吞吐量，网络的总带宽通常为各个交换机端口带宽之和，完全避免了传输冲突．交换式以太网(SwitchedEthemet)的出现使得以太网获得了确定性并提高了系统的实时性．

　　2.提高可靠性的方法

　　进行系统设计时，通过专业的可靠性设计来提高工业现场设备的可靠性．

　　(1)增加冗余配置．主干网络可采用环形冗余以太网结构(FDDI)，FDDI采用双环结构，主环用于传输数据，副环用于备份，大大提高了工业现场系统的可靠性．

　　(2)采用现代智能设备管理系统．配置实时网络监控软件，对现场设备进行在线监视和诊断，一旦发现异常，能迅速将故障节点隔离并报警．

　　3.解决互操作性的方案

　　解决工业以太网现场设备之间的互可操作性，根本途径就是在以太网和TCP(uDP)／IP协议的基础上制定整体的应用层规范．现阶段受到各生产厂商广泛支持并已经开发出相应产品的有以下几种主要协议．

　　(1)Ethemet／IP

　　Ethemet／IP是基于CIP协议的网络，能够保证网络上隐式信息(实时I／O数据)和显式信息(协议信息和行为信息)的有效传输．

　　Ethemet／IP采用标准的Ethemet和1℃P，技术传送CIP(ControlandInformationProtoco1)通讯数据包．开放的应用层协议CIP加上TCP／IP协议，构成了Ethemet／IP协议的体系结构．

　　(2)ModBus

　　由施耐德公司推出ModBus协议是一种非常简单的将ModBus帧嵌入到TCP帧中，使ModBus与以太网和TCP／IP结合，成为ModBusTCP／IP．这是一种面向连接的新的控制方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫，应答的机制与ModBus的主，从机制相互配合，使交换式以太网具有非常高的确定性，通过利用TCP／IP协议，客户可以通过网页的形式利用网络浏览器便可以查看企业网内部设备运行情况．施耐德公司已经专门为ModBus注册了502端口，可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，将Web浏览器作为设备的操作终端．

　　(3)HSE

　　基金会现场总线是一种全数字的、双向传输、多点通讯由总线供电、用于连接智能设备和自动化系统的通讯链路．基金会现场总线是由现场总线基金会(FieldBusFoundation)于2O00年发布Ethemet规范，称HsE(HighSpeedEthemet)．现场总线HSE技术的核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将HI(31．25kb／s)设备连接100Mb／s的HSE主干网的核心组成部分，同时还具有网桥和网关的功能．HSE现场设备有HSE链接设备、运行功能块的HSE现场设备和主机．HSE链接没备是一种将HSE层和多个Hl现场总线网络／网段互联，创建更大Hl网络系统的转换单元．HSE交换器是一种标准以太网设备，可用于连接多个高速以太网(HsE)设备．如HSE链接设备和HSE现场设备，从而形成更大的HSE网络．