工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用探討

1、以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用探討一、引言工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用干工業(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)，在材展的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度，適用性以及實(shí)時(shí)性,可互操作性、司臉%抗中排球.褊安全礴猴輸贏足工鹿的韶&Ethernet過(guò)去被認(rèn)為是一種“非確定性0的網(wǎng)絡(luò)，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ),.是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而可萋珈,棟R蜂幽幽積HR型質(zhì)閾即這是由手(1Eihemet的介用問(wèn)削(MAC層協(xié)議采用帶碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)(CSMA/CD)方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí),璃的確定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求:(2)Ethernet所用的接插件、集我恭、在工廠環(huán)交換機(jī)和電纜等是為辦公空應(yīng)

2、用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境要求;境中,Ethernet抗干擾EM修性能較差.若用于危險(xiǎn)場(chǎng)合以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能:：4)Ethernet不能通過(guò)倡號(hào)線向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電向題.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(wèn)題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決,二.Elhernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)(1)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)在于它必須滿足拽制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要隸,即信號(hào)傳輸要足夠快球星信號(hào)版施正菱時(shí)控制往往要求對(duì)某綱隔而數(shù)據(jù)腦般哂W新ikFEthernet,用CSWVCD方式，網(wǎng)常數(shù)荷燃時(shí)九網(wǎng)絡(luò)傳輸

3、的不確定性不悔滿卻他擺制的實(shí)時(shí)舞求，雌國(guó)以求網(wǎng)撥和齦贏超擲懶鮑輸睡帽醺的實(shí)時(shí)樓要求,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像問(wèn)題基本得到解決*L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310Gb/s.，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下J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)襄用交換技術(shù)替代原有的總線型CSWVCD技術(shù)，避免了由于寶布帖席共事蝌睜便地要裝發(fā)生的碰撞工蹴了信道帶宦的浪韁，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信艮提高信遺的利用率.降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)

4、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.r19v9u亨ahpvaN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(guò)限制網(wǎng)段站點(diǎn)數(shù)目“降低網(wǎng)絡(luò)流量皆進(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(guò)設(shè)計(jì)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)來(lái)提高傳輸(二)穩(wěn)定性與可靠性翩帚hern上并祕(mì)為磁成用前網(wǎng)施裝有蓍慮:啰回廂微的運(yùn)應(yīng)挨舸電于Rfe或埔的機(jī)喊氣稼至澳等案件如常會(huì)時(shí)因堿線翻缶I畫靠性提母高堿求/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3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(wèn)題，美國(guó)Synergetic微系統(tǒng)公司和

5、德國(guó)HirsdhnnaJetterAG等鷲司雯開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式敏;器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌匕并有冗余電源供電，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(chǎng)設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙線線，對(duì)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)的抗干擾能力和可旎性,(三)安全性在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，很多現(xiàn)場(chǎng)不可避免地存在易燃車易爆或有毒氣體等,對(duì)應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝置以及通信設(shè)備，都必須采取1定的防爆技術(shù)措施來(lái)保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn).在目前技術(shù)條件下一對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆,防爆的措施比較可行，即通過(guò)對(duì)Ethernel現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采取增安、.氣密,驍封等隔爆措施,

6、?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄,源而商溫容而蛭I缸旃融前端施城要將5韭危窗施曲則而成不落凝雜而底爆措施以工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工韭以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另T安全性問(wèn)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(guò)程監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層一合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,提高工廠的運(yùn)作效率小但同時(shí)也引入了一系列的網(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，黑客的非法入侵局非法操作等網(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(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過(guò)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.（四

7、X總線供電問(wèn)題總線供電區(qū)或標(biāo)總線饋電r是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)一還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備樵電可以采取以下方法上JI9.I.網(wǎng)制到個(gè)直流或儂8臊蝴二 在鰥溪翻謠I號(hào)兩路信號(hào)分蠢開(kāi)來(lái).Q J O , 。 / , a . 上d J M 、 _V .； L ；： ；a .。用二2， 廠 J： 上”,.：2.不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，而通過(guò).連接電統(tǒng)中的寶閑線纜為了 . If/a /一1.在目前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢硪暗募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)三、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)應(yīng)用層包括HTTP、FTP,SNMP等常用協(xié)議，但當(dāng)它用手XB控制時(shí)已體現(xiàn)在

8、應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議,但受到廣泛支持笄已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品的有以下凡種主要協(xié).一一-ModbusTCP/IP督制膜由西翩峪司腳打以一種割H簡(jiǎn)單的會(huì)將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，成為ModbusTCP/IP.這是一種面向連接的方式,每一個(gè)峰碼都要求fi這種呼叫博答的機(jī)制與Mo&MJt的剃同噱而宜倒臺(tái)療使交提或以太網(wǎng)具有很高的確定性；利用TCP/IP協(xié)議,通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式可以使用戶界面更加友好于L卜：；r心撲網(wǎng)1二設(shè)了一行L利耐德山，”為Mod-bus：鵬了502端口一這樣就可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

9、嵌入到網(wǎng)頁(yè)中,通過(guò)在設(shè)備中嵌入Web服務(wù)器，就可以將Web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端a（二）ProfiNet針對(duì)工業(yè)應(yīng)用需求/德國(guó)西門子于2001年發(fā)布了該協(xié)議,它是將原有的Profibus與互itif”ifH,聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合；形成了ProfiNel的網(wǎng)絡(luò)方案，生要包括,1）基于姐件對(duì)象模型（COM）的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)：【2規(guī)定了ProfiNet現(xiàn)場(chǎng)息線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開(kāi)放、透明通信;（3）提供了一個(gè)獨(dú)立于制遇商包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型看畫州或果用標(biāo)港TCP/IP十以太南作湖域果用株淄的印PIM勘口上應(yīng)用層的RPC/DCOM來(lái)完凝節(jié):點(diǎn)間的遹信椰!緒鑰也它可以同咽的懶Profibus承統(tǒng)和新

10、型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備V現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過(guò)一個(gè)代理設(shè)備Eproxy）連接到ProfiNet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在Pel中使用己傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通,過(guò)代理proxy與ProFiNET上面的COM對(duì)象進(jìn)行通信,笄通過(guò)OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對(duì)象間的調(diào)用.（=）HSE基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF于200。年發(fā)布Ethernet規(guī)范.稱HSE(HighSpeedEthernet)后.0HSE是以太網(wǎng)怖議IEEE802-3,TCP/IP酬議族與FFIII的結(jié)合體.FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Intemet的集成,網(wǎng)橋功能能HSE技術(shù)的

11、一個(gè)核心部分就是鏈接設(shè)備，它是HSE體系結(jié)構(gòu)將HI（31.25kb/s）設(shè)備連夠用于連接親個(gè)H1總線網(wǎng)段.使同H1 g段上的m設(shè)備之間能辨進(jìn)行對(duì)等通信而無(wú)需主接100Mb/s的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分母同時(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能機(jī)系統(tǒng)的干涉*網(wǎng)關(guān)功能允許將HSE網(wǎng)絡(luò)連接到其他的工廠控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò),HSE鏈夠初褊要為H：子癱歸酸楙k而是球首恿麗段戰(zhàn)文蓑獺腕搟直將HI地址轉(zhuǎn)化為IP地址.(四)Ethernet/IPEthernetIP是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系也它是由ODVA（OpenDevicenetVendorsAsso-cation)4flControlNetInternationa

12、l兩大H業(yè)組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet一樣，它們都是基于CIP(ControlandInformationProto-Col)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式C控制的實(shí)時(shí)I/O信息和顯式信息。包括用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等）:的有效傳輸.Ethernet/IP采用和DeviceNet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)議CIP.因此，它們使用枸同國(guó)畔粼帕逢的檸蛛與具有臂好的一爨出Ethernet/jp來(lái)揭蛹雌Ethernet和TCP/IP技術(shù)傳送CIP通信包，這樣通用且開(kāi)放的應(yīng)用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的Ethernet和TCP/I

13、P協(xié)議，就構(gòu)成Ethernet/IP協(xié)議的體系結(jié)典品U!u工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)（一）應(yīng)用廣泛以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣弦的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),幾乎所有的編程語(yǔ)言如VisualC+.Java畝VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)詔（二）通信速率高目鼬1鼠100Mb/s的快速以太網(wǎng)日璉F應(yīng)用,Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也透漸做口而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線最高速率只有12Mb/sG如西口子Profibus-DP）一顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷鏘長(zhǎng)的帶寬要求更（三）成本低廉以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格較之現(xiàn)場(chǎng)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*.丁OrQ0.*3.W?v.奏樂(lè)

14、人的對(duì)以太廊的謝k胡駱?lè)矫嬗泻苜M(fèi)經(jīng)驗(yàn)L幅相當(dāng)成熟的技術(shù)“大量的軟棒源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣速度.（四）費(fèi)源共享能力強(qiáng)隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個(gè)角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源#（一）混合EtherneVFieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這種靖構(gòu)實(shí)際上就是信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的一種典型的集成形式以太網(wǎng)正在逐步向現(xiàn)擷崢的寂他善鮑泌胸襁貓施藤健向剛高但良太時(shí)和TCP/IP原本不是菌向搐制領(lǐng)域的，在體系結(jié)構(gòu)、極設(shè)規(guī)則、物理介雙，數(shù)據(jù)%軟件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等諸委方而笄不成熟.而現(xiàn)場(chǎng)總線能完全滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)底層控制網(wǎng)絡(luò)

15、的基本要求,實(shí)現(xiàn)真正的全分布式系一.4：.，r0J.?r廠。，F(xiàn)產(chǎn)aVL.：.bP：/,1*:*1.。r。統(tǒng)此，在企業(yè)信息層采用以太同步而在底層設(shè)備級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線，通過(guò)通信控制器實(shí)現(xiàn)兩者的俏盤交換a（二）專用工業(yè)以太控制網(wǎng)絡(luò)如何利用工業(yè)以太網(wǎng)單獨(dú)作為控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向之一.也是工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一“如德國(guó)JetterAG公司的新一代控制系統(tǒng)JetWeb,是融現(xiàn)場(chǎng)總統(tǒng)技術(shù)、100Mb/s以太網(wǎng)技術(shù)、CNC技術(shù)、PLC技術(shù)I可視化人機(jī)接口技術(shù)和全球化生產(chǎn)管理技術(shù)為一體的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，同時(shí)具有廣泛的兼容性,可兼容第三方自動(dòng)化控制產(chǎn)品,提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器15的觀點(diǎn),是取代所有底層現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是將以太網(wǎng)貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層次，使它成為透明的覆蓋整個(gè)企業(yè)范p