论工业以太网的技术特点及应用

　　工业以太网以其特殊的、独具的特点，被广泛应用于工业领域，本文主要论述了以太网技术的由来、技术特点以及应用现状，对工业以太网的发展和实际应用，进行一些探讨和研究。

 

　　1 工业以太网由来和发展

 

　　1980年，Xerox，Inter与DigitalEquipment等公司成功研制了以太网1.0版，这标志着以太网正式诞生。随后，IEEE802.3标准正式发布，那就是1983年的以太网2.0版本。1985年，以太网技术通过SiemensSINECH1顺利进入了工业通讯领域。随着网络的不断发展及用户数量的持续增加，以太网的传输速率从10Mb/s扩大到100Mb/s，这就是现在的快速以太网(FastEthernet)。在之后的几年发展中，快速以太网成为了IEEE802.3标准，并被广泛应用于工业通信中。目前，工业领域正在研究建立千兆以太网，这就是10Gigabit标准。

 

　　2 工业以太网的技术特点

 

　　2.1 通信中的确定性与实时性

 

　　传统的Ethernet在实际的实验和检测中，采用了CSMA/CD碰撞检测方式。其最大弊端就是工作过程中会产生很大的负荷，影响网络传输，从而导致控制系统及其他各系统的实时性很差。因此，它的功能作用是非确定性的，人们在实际应用中对其也有很多诟病。相比之下，快速以太网的产生与发展，以及交换式以太网技术的开发和应用，成为了克服和解决非确定性问题新的“突破口”。

 

　　(1)Ethernet的通信速率增长非常快，也特别实用。它已经从10M、100M增加到现在的1000M乃至10G。在相同情况下，通过提高工业通信速率，极大减轻在实际工作过程中的网络负载量，极大减小网络延迟，从而极大降低在网络传输中的碰撞机率。

 

　　(2)工业中交换机的使用，特别是开发了星型拓扑结构，最终在实际运行和操作中，将整个网络分割成数个网段，这就使得数据传输由大变小，更方便更快捷。而当制造商生产出Ethernet交换机后，它的数据存储功能及数据转发功能，大大缓解了网络传输过程中数据的堵塞，使得每个端口间输入输出数据帧可以有一定程度的缓冲，也大大降低了网络数据碰撞概率。

 

　　(3)交换机功能作用得以充分发挥，它在网络传输时可以起到过滤的作用，无论是任何网段、任何节点的网络传输数据，都会被限制在本地网段内，而根本不经过主干网，这就大大降低了网络负载。

 

　　2.2 通信中的稳定性与可靠性

 

　　首先，Ethernet在网络通信应用中，所用到的都是根据需求而设计生产出来的集线器、交换机、接插件等。其作用就是为了解决工业生产过程中遇到的一些诸如环境、硬件等带来的影响，比如高温、低温及防尘等。为增加以太网在工业运用中的稳定性，导轨式集线器被开发运用起来，同时，还有很多公司研发了各类交换机等产品。在实际使用中：

 

　　(1)将它们安装在DIN导轨上;

 

　　(2)供电方式采用冗余电源供电;

 

　　(3)把DB.9结构应用于接插件，通过这三种方式，大大增加工业以太网的稳定性。

 

　　其次，随着工业网络的发展，人们对Ethemet总线供电进行了进一步的规范和定义。在工业现场，有以下3种情况：

 

　　(1)主干网光纤传输;

 

　　(2)连接现场设备采用屏蔽双绞线;

 

　　(3)重要网段使用冗余网络技术。

 

　　这样，通过这种规避和应用，使得网络抗干扰能力大大提高，这也从另一个方面提高了以太网的稳定性和可靠性。

 

　　2.3 网络协议的统一性与通用性

 

　　目前，以太网比较广泛使用为3种网络协议：

 

　　2.3.1 HSE

 

　　随着网络协议的发展，现场总线基金会在众多协议中，确定HSE为为实现控制网络以及互联网的集成。HSE的工作流程为，HSE链接设备负责网络信息传输，路径为H1网段信息—以太网主干—企业ERP和管理系统。至此，操作人员可以直接应用网络浏览器观看工业现场运行和运作情况，特别是现场的网络设备也可从网络中获得各种想要知道的信息。HSE同时具有“两大功能”，一个是网桥功能，一个是网关功能。拥有这“两大功能”的好处是，在通信过程中，数据传输不需要主机干预，而是直接在不同网段的H1设备之间进行对等通信;HSE主机可与所有设备及所有的H1设备进行通信，并使操作数据能传输到远程现场设备，同时还可接收现场设备数据信息，实现监控和报表功能。

 

　　2.3.2 PROFInet

 

　　Profibus国际组织结合工业控制要求及Profibus的技术特点，提出了以以太网为基础的PROFInet。它包含3方面技术：

 

　　(1)分布式自动化系统，它以通用对象模型(COM)为基础;

 

　　(2)明确了Profibus和以太网间的通信;

 

　　(3)提供了设备层和系统层，这个设备层和系统层独立于制造商。这个特点，确保了全部Profibus设备及相关协议可以在PROFInet中使用。

 

　　2.3.3 Ethernet/IP

 

　　这种协议有3个突出特点：

 

　　(1)结构为星形拓扑结构;

 

　　(2)通过交换机点对点连接设备;

 

　　(3)适用性强，特别是同时适合于10Mbps和100Mbps以太网产品。采用这种协议，最终能够提高设备间互操作性，特别是ControlNet和DeviceNet中都采用了相同的CIP，这个可以方便实现非实时的信息交换。

 

　　3 工业以太网的应用

 

　　3.1 工业以太网应用的现状

 

　　随着工业的发展，以太网被广泛应用于工业领域。最根本的原因，就是以太网拥有很多优势，可以解决很多难题。主要有以下几种表现：

 

　　(1)电缆被广泛使用，人们将电缆从10BASE一5研发到10BASE一2，特别是还研究生产了10BASE—T双绞线，使得在工业运用中获得极强的抗干扰能力。

 

　　(2)通信速率不断提高，从传统的10Mb/s，逐渐提高到100Mb/s。特别是目前，1000Mb/s的传输速率已经在工业各领域认可并使用，相信在不久的将来，10Gb/s的以太网也会遍布工业发展的各个领域。

 

　　(3)交换技术的发展，彻底消除了控制领域的障碍，使得多个网络设备之间通信不会冲突。

 

　　3.2 工业以太网的应用前景

 

　　SIMATICNET工业以太网已经被人们认可，并被确定为一种标准网络，它满足了工业各方面的要求。工业以太网在未来的15年内都被认为是工业数据通讯的潮流。可以预见：

 

　　(1)以太网技术在现场部门的使用;

 

　　(2)千兆级以太网与IT通讯。

 

　　这两点都将在不久的将来实现。可以说，无论在现在还是在未来，工业以太网都能够满足工业环境下的网络通讯的用户要求。在不久的将来，以太网的发展前景将会更显优势、实用性也会更好。

 

　　作者：张犇 来源：电子技术与软件工程 2016年10期

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