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工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化系統(tǒng)中應(yīng)用及前景

發(fā)布日期:2022-07-14 點擊率:115

1、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

  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標準)兼容。產(chǎn)品設(shè)計時,在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、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:(1)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)負荷較重時,網(wǎng)絡(luò)的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求;(2)EtherNet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的,不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求;(3)在工廠環(huán)境中,EtherNet抗干擾(EMI)性能較差,若用于危險場合,以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能;(4)EtherNet不能通過信號線向現(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,并使EtherNet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個方面:

    (一)通信確定性與實時性

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

  然而,快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機,使這一應(yīng)用成為可能。首先,EtherNet的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G,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)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小,即網(wǎng)絡(luò)碰撞機率大大下降。其次,采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段。EtherNet交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能,使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖,不再發(fā)生碰撞;同時交換機還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾,使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行,而不需經(jīng)過主干網(wǎng),也不占用其它網(wǎng)段的帶寬,從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負荷。再次,全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發(fā)送報文幀,也不會發(fā)生沖突。因此,采用交換式集線器和全雙工通信,可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在(全雙工通信),或碰撞機率大大降低(半雙工),因此使EtherNet通信確定性和實時性大大提高。

    (二)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)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣,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,德國Hirschmann等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了工業(yè)以太網(wǎng)交換機等產(chǎn)品,安裝在標準DIN導(dǎo)軌上,并有冗余電源供電。

    (三)安全性

  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、實時性更高,并可與Internet無縫集成,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,提高工廠的運作效率。但同時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)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

    (四)總線供電問題

  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,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:

    (1)在目前以太網(wǎng)標準的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范,將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個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分離開來。

    (2)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。

    2、工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢

    (一)應(yīng)用廣泛

  以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),幾乎所有的編程語言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。

    (二)通信速率高

  目前,10、100Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用,1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟,而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s。顯然,以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多,完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求。

    (三)成本低廉

  以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多(約為1/10);另外,以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用多年,人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多經(jīng)驗,具有相當(dāng)成熟的技術(shù)。大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用,降低系統(tǒng)的整體成本,并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

    (四)資源共享能力強

  隨著Internet/Intranet的發(fā)展,以太網(wǎng)已滲透到各個角落,網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛,在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù),實現(xiàn)“控管一體化”,這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。

    (五)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/p>

  以太網(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性,用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入,對于這一點,

  任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法比擬的。


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