工业以太网技术的应用探讨.doc

工业以太网技术的应用探讨一、引言工业以太网是应用于丁•业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3 标准）兼容产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、 可靠性、抗干扰性、木质安全性等方面能满足工业现场的需要Ethernet H去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT领域应用 而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，这是由于：（1） Ethernet的介质访问控制 （MAC）层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）方式，当网络负荷较重 时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；（2） Ethernet所用的接插件、集线器、 交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；（3）在工厂环 境中，Ethernet抗干扰（EMI）性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能； （4） Ether-net不能通过信号线向现场设备供电问题随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发 展，上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决二、Ethernet应用于工业现场的关键技术（一） 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”的网络工业以太网采取了以下措施使得该问题基木得到解决：1. 采用快速以太网加大网络带宽Ether-net的通信速率从10、100 Mb/s增大到如今的 1、10Gb/So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，从而提高其实时性2. 采用全双工交换式以太网用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术，避免了由 于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双 工通信，提高信道的利用率3. 降低网络负载工业控制网络与商业控制网络不同，每个结点传送的实时数据量很少, 一般为儿个位或儿个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此可以通过限制网段 站点数目，降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性4. 应用报文优先级技术在智能交换机或集线器中，通过设计报文的优先级来提高传输 的实时性。

二） 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T作的问题，美国 Synergetic微系统公司和徳国Hirschmann, Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线 器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有兀余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结 构此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线， 对于重要的网段还可采用兀余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性三） 安全性在丁•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i定的防爆技术措施来保证工业现场的安全 生产在H前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行，即通过对Ethernet 现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备木身的故障产生的点火能量不外泄, 以保证系统运行的安全性。

对于没有严格的木安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防 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四）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三、工业以太网协议当以太网用于信息技术时，应用层包括HT・TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于 工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及T稈模型的应用协议, 目前还没有统一的M用层协议，但受到广泛支持并己经开发出相应产品的有以下凡种主要协 议。

一） Modbus TCP/IP该协议由施耐徳公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使 Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IPo这是一种面向连接的方式，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•很高的确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好 利用网络浏览器便杏看企业网内部设备运行情况施耐徳公司U经为Mod-bus注册了 502 端口，这样就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，就可以将 Web浏览器作为设备的操作终端二） ProfINet针对工业应用需求，徳国西门了于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互 联网技术结合，形成了 ProfiNet的网络方案，主要包括：（1）基于纟fl件对象模型（COM） 的分布式白动化系统；（2）规定了 ProfiNet现场总线和标准以太网Z间的开放、透明通信;（3）提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型ProfiNet采用标准TCP/IP |-以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的 RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。

它可以同时挂接传统Profibus系统和新熨的 智能现场设备现有的Profibus网段可以通过一个代理设备（proxy）连接到ProfiNet网络 当中，使整Profibus设备和协议能够原封不动地在Pet中使用传统的Profibus设备可通 过代理proxy与ProFiNET上面的COM对彖进行通信，并通过OLE H动化接口实现COM 对象间的调用三）HSE基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范，称HSE （High Speed Ethernet） HSE是以太网协议IEEE 802. 3, TCP/IP协议族与FF川的结合体FF现场总线基金会明 确将HSE定位于实现控制网络与Internet的集成HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将HI （31.25 kb/s） 设备连接100 Mb/s的HSE主干网的关键纟H•成部分，同时也具有网桥和网关的功能网桥 功能能够用于连接多个H1总线网段，使同H1网段上的H1设备Z间能够进行对等通信而 无需主机系统的干涉；网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络， HSE链接设备不需要为H1 了系统作报文解释，而是将来白H1总线网段的报文数据集合起 来并且将HI地址转化为IP地址。

四）Ethernet/IPEthernet/IP是适合工业环境应用的协议体系它是由ODVA （Open Devicenet Vendors Asso-cation）和ControlNet International两大工业组织推出的最新成员与DeviceNet和 ControlNet —样,它们都是基于 CIP （Control and Information Proto-Col）协议的网络它 是一种是曲向对彖的协议，能够保证网络上隐式（控制）的实时I/O信息和显式信息（包括 用于组态、参数设置、诊断等）的有效传输Ethernet/IP采用和DeviceNet以及ControlNet相同的应用层协议CIP因此，它们使用 相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性Ethernet/IP采用标准的Ethernet和 TCP/IP技术传送CIP通信包，这样通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的 Ethernet和TCP/IP协议，就构成Ethernet/IP协议的体系结构四、 工业以太网的优势（一） 应用广泛以太网是应用最广泛的计算机网络技术，儿乎所有的编程语言如VisualC+ + . Java. VisualBasic等都支持以太网的应用开发。

二） 通信速率高目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而 传统的现场总线最高速率只有12Mb/s （如西门了 Profibus・DP）显然，以太网的速率要 比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求三） 成本低廉以太网网卡的价格较Z现场总线网卡要便宜得多（约为1/10）；另外，以太网已经应用 多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术大量的软件资 源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的報体成木，并人大加快系统 的开发和推广速度四） 资源共享能力强随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源 地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现 “控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的五） 可持续发展潜力大以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方血无需独H的研 究投人，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的同时，机器人技术、智能 技术的发展部要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以 太网都能很好地满足。

五、 工业以太网在控制领域应用现状工•业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实 现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的咱动化孤岛”问题，但从目前的 发展看，工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式一） 混合Ethernet/Fieldbus的网络结构这种结构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式以太网正在逐步向现 场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合，但以太网和TCP/IP原木不是面 向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不 成熟，而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基木要求，实现真正的全分布式系 统因此，在企业信息层采川以太网，而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现 两者的信息交换二） 专用工业以太控制网络如何利用丁•业以太网单独作为控制网络是丁•业以太网的发展方InjZ-，也是丁•业控制领 域的研究热点之一如徳国Jetter。