工業乙太網

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工業乙太網(Ethernetfor Plant Automation,EPA)

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什麼是工業乙太網

  工業乙太網是指在工業環境的自動化控制及過程式控制制中應用乙太網的相關組件及技術。工業乙太網會採用TCP/IP協議,和IEEE 802.3標準兼容,但在應用層會加入各自特有的協議。

工業乙太網的優點[1]

  1)具有相當高的數據傳輸速率(目前已達到1OOMb/s),能提供足夠的帶寬;

  2)由於具有相同的通信協議,Ethemet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術世界);

  3)能在同一匯流排上運行不同的傳輸協議,從而能建立企業的公共網路平臺或基礎構架;

  4)在整個網路中,運用了互動式和開放的數據存取技術;

  5)沿用多年,已為眾多的技術人員所熟悉,市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具,成為事實上的統一標準;

  6)允許使用不同的物理介質和構成不同的拓撲結構。至於乙太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題,已由於智能集線器的使用、主動切換功能的實現、優先權的引人以及雙工的佈線等工業乙太網以其低成本、易於組網、數據傳輸速率相當高、易與Internet連接和幾乎所有的編程語言都支持乙太網的應用開發的優點而被廣大工程人員忽略。

工業乙太網的技術特性[2]

  1)系統響應的實時性。工業乙太網是與工業現場測量控制設備相連接的一類特殊通信網路,控制網路中數據傳輸的及時性與系統響應的實時性是控制系統最基本的要求。在工業自動化控制中需要及時地傳輸現場過程信息和操作指令,要能夠支持和完成實時信息的通信。這不僅要求工業乙太網傳輸速度要快,而且響應也要快,即響應實時性要好。

  2)網路傳輸的確定性。即要保證乙太網設備間的傳輸不能發生衝突或數據的碰撞,讓不同設備對網路資源的使用合理有序化。以前,乙太網被認為不能用於工業控制領域,這主要是因為乙太網的CDMA/CD媒體訪問方式不能保證網路(傳輸時間)的確定性,而現在隨著乙太網速率不斷提高,加上確定性調度演算法的研究突破,使網路負荷進一步減輕、碰撞減少,系統的確定性已得到了很大的提高。

  3)匯流排供電技術。電氣電子工程師協會於2003nian6月批准了乙太網供電PoE標準-IEEE802.3af。PoE技術是指對現有的乙太網CAT一5佈線基礎架構不用作任何改動的情況下,藉助於一根常規乙太網線纜在傳輸數據的同時供應電力,從而保證該線纜在為乙太網終端設備傳輸數據信號的同時,還能為此類設備提供直流供電。

  4)要求極高的可靠性。工業控制網路必須連續運行,它的任何中斷和故障都可能造成停產,甚至引起設備和人身事故,因此必須具有極高的可靠性,具體表現在以下三個方面:①可使用性要好,網路自身不發生故障。②容錯能力強,網路系統局部單元出現故障,不影響整個系統的正常工作。③可維護性高,故障發生後能及時發現和及時處理,通過維修使網路及時恢復。

工業乙太網存在的主要問題[3]

  1.傳輸的不確定性

  乙太網是一種共用型網路,核心技術是CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect),即帶有衝突檢測的載波偵聽多路訪問方法.CSMA/CD是一種爭用協議,網路中的每個站點都爭用同一個通道,都能獨立決定是否發送信息,如果有兩個以上的站點同時發送信息就會產生衝突.一旦發生衝突,同時發送的所有信息都會出錯,本次發送宣告失敗.每個站點必須有能力判斷衝突是否發生,如果發生,則應等待隨機時間間隔後重發,以免再次發生衝突,因此不能滿足控制系統關於精確定時通信的實時性要求,通常被視為“非確定性”的網路.

  2.可靠性問題

  傳統的乙太網不是為了工業應用而設計的,其主要應用於辦公自動化領域,同時,乙太網本質上採用競爭方式,具有超時重發機制,因此會引發單點故障傳播,使得故障節點獨占匯流排而導致其他結點傳輸失敗.

  3.互操作問題

  設備間互操作性是指連接到同一網路上不同廠家的設備通過統一的應用層協議進行通信和互相控制,功能用途相似的設備可以實現相互替代.作為開放系統的優點之處,互操作性為客戶保障了來自不同廠商的設備通信的可靠性,使多廠商產品在集成環境中共同工作成為可能.

  乙太網僅僅定義了ISO/OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層,再加上TCP/IP協議也只是在乙太網上面提供了網路層和傳輸層的功能,在應用層沒有作技術規定.

  4.安全性問題

  工業乙太網把傳統的集散控制系統中的信息管理層、過程監控層、現場設備層統一起來,使數據的傳輸速率提高、實時性更強,同時它可直接接入Intemet,實現了數據的共用,使公司可高效率的運作,與此同時也帶來了一系列的網路安全問題.

  5.遠距離傳輸問題

  在工業生產現場,各種測控儀錶的物理空間分佈比較分散,儀錶間的佈線距離較遠,幾十米甚至達到數公裡.由於信號沿匯流排傳播時的失真和衰減等干擾因素,乙太網協議中對傳輸系統的線路使用作了具體的規定,例如雙絞線(10BASE—T)的長度不得超過100m;使用細同軸電纜(1OBASE一2)時每段的最大長度為185m;而使用粗同軸電纜(1OBASE一5)時每段的最大長度也僅能達到500m,對於距離更長的終端設備,則可使用中繼器(但不超過4個)或者光纖通信介質進行連接.在這種情況下,由於使用1OBASE—T雙絞線不能達到距離要求,而如果使用1OBASE一2或10BASE一5同軸電纜又不能進行全雙工通信,同樣,都採用光纖傳輸介質,一是現場設備的供電不易解決,二是成本同樣也非常昂貴,不利於在工業現場的廣泛應用.

工業乙太網存在問題的解決方案

  1.對於不確定性的改進方法

  近幾年興起的交換式區域網技術,為解決乙太網傳輸不確定性提供了技術支持.乙太網交換技術的應用,可以將網路衝突域細化.現階段採用乙太網交換機組成的工業控制系統中,每個埠都是一個衝突域,通過交換機可以對每個衝突域進行隔離,交換機每一個埠之間能同時產生多個數據通道,正在工作的埠上的信息流不會在其它埠上廣播,埠之間信息、報文的輸入和輸出不再受到CSMMCD介質訪問控制協議的約束;網路拓撲結構採用星型連接代替匯流排型結構;通信過程中採用全雙工通信技術.

  工業乙太網交換機在數據鏈路層將其網路埠劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯繫的全雙工通道,每個站點都可以獨享通道,獨享帶寬,提高了各個站點的數據吞吐量,網路的總帶寬通常為各個交換機埠帶寬之和,完全避免了傳輸衝突.交換式乙太網(SwitchedEthemet)的出現使得乙太網獲得了確定性並提高了系統的實時性.

  2.提高可靠性的方法

  進行系統設計時,通過專業的可靠性設計來提高工業現場設備的可靠性.

  (1)增加冗餘配置.主幹網路可採用環形冗餘乙太網結構(FDDI),FDDI採用雙環結構,主環用於傳輸數據,副環用於備份,大大提高了工業現場系統的可靠性.

  (2)採用現代智能設備管理系統.配置實時網路監控軟體,對現場設備進行線上監視和診斷,一旦發現異常,能迅速將故障節點隔離並報警.

  3.解決互操作性的方案

  解決工業乙太網現場設備之間的互可操作性,根本途徑就是在乙太網和TCP(uDP)/IP協議的基礎上制定整體的應用層規範.現階段受到各生產廠商廣泛支持並已經開發出相應產品的有以下幾種主要協議.

  (1)Ethemet/IP

  Ethemet/IP是基於CIP協議的網路,能夠保證網路上隱式信息(實時I/O數據)和顯式信息(協議信息和行為信息)的有效傳輸.

  Ethemet/IP採用標準的Ethemet和1℃P,技術傳送CIP(ControlandInformationProtoco1)通訊數據包.開放的應用層協議CIP加上TCP/IP協議,構成了Ethemet/IP協議的體繫結構.

  (2)ModBus

  由施耐德公司推出ModBus協議是一種非常簡單的將ModBus幀嵌入到TCP幀中,使ModBus與乙太網和TCP/IP結合,成為ModBusTCP/IP.這是一種面向連接的新的控制方式,每一個呼叫都要求一個應答,這種呼叫,應答的機制與ModBus的主,從機制相互配合,使交換式乙太網具有非常高的確定性,通過利用TCP/IP協議,客戶可以通過網頁的形式利用網路瀏覽器便可以查看企業網內部設備運行情況.施耐德公司已經專門為ModBus註冊了502埠,可以將實時數據嵌人到網頁中,通過在設備中嵌入Web伺服器,將Web瀏覽器作為設備的操作終端.

  (3)HSE

  基金會現場匯流排是一種全數字的、雙向傳輸、多點通訊由匯流排供電、用於連接智能設備和自動化系統的通訊鏈路.基金會現場匯流排是由現場匯流排基金會(FieldBusFoundation)於2O00年發佈Ethemet規範,稱HsE(HighSpeedEthemet).現場匯流排HSE技術的核心部分就是鏈接設備,它是HSE體繫結構將HI(31.25kb/s)設備連接100Mb/s的HSE主幹網的核心組成部分,同時還具有網橋和網關的功能.HSE現場設備有HSE鏈接設備、運行功能塊的HSE現場設備和主機.HSE鏈接沒備是一種將HSE層和多個Hl現場匯流排網路/網段互聯,創建更大Hl網路系統的轉換單元.HSE交換器是一種標準乙太網設備,可用於連接多個高速乙太網(HsE)設備.如HSE鏈接設備和HSE現場設備,從而形成更大的HSE網路.

參考文獻

  1. 張麗娜.工業乙太網的應用與發展(J).電子商務.2010,10
  2. 顧陽,尚群立.工業乙太網的技術特性及關鍵技術研究(J).機械製造.2010,3
  3. 李建輝,史慶武.工業乙太網的構建及通信問題研究(J).佳木斯大學學報:自然科學版.2009,6
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