工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

　　一、引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

　　Ethernet過去被認(rèn)為是一種“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用，這是由于：

　　Ethernet的介質(zhì)訪問控制（MAC）層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的確定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求；

　　Ethernet所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求；

　　在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險(xiǎn)場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；

　　Ether-net不能通過信號(hào)線向現(xiàn)場設(shè)備供電問題。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決。

　　二、Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)

　　（一）通信確定性與實(shí)時(shí)性

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠快和滿足信號(hào)的確定性。實(shí)時(shí)控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難 以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。

　　工業(yè)以太網(wǎng)采取了以下措施使得該問題基本得到解決：

　　采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡(luò)帶寬

　　Ethernet的通信速率從10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降，從而提高其實(shí)時(shí)性。

　　采用全雙工交換式以太網(wǎng)

　　用交換技術(shù)替代原有的總線型CSMA/CD技術(shù)，避免了由于多個(gè)站點(diǎn)共享并競爭信道導(dǎo)致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費(fèi)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，提高信道的利用率。

　　降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同，每個(gè)結(jié)點(diǎn)傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量很少，一般為幾個(gè)位或幾個(gè)字節(jié)，而且突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生，因此可以通過限制網(wǎng)段站點(diǎn)數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)流量，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

　　4.應(yīng)用報(bào)文優(yōu)先級(jí)技術(shù)

　　在智能交換機(jī)或集線器中，通過設(shè)計(jì)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)來提高傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

　　（二）安全性

　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

　　在目前技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆、防爆的措施比較可行，即通過對Ethernet現(xiàn)場設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現(xiàn)場設(shè)備本身的故 障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。

　　工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個(gè)安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運(yùn)作效率。

　　但同時(shí)也引人了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全向題，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

　　一般情況下，可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

　　（三）穩(wěn)定性與可靠性

　　傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械、氣候、塵埃等條件非常惡劣控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此對設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。

　　為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，美國SynergeTIc微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann，Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。

　　此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。

　?。ㄋ模┛偩€供電問題

　　總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。對于現(xiàn)場設(shè)備供電可以采取以下方法：

　　在目前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設(shè)備端再將這兩路信號(hào)分離開來。

　　不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)備提供電源。