一网到“现场”—工业以太网技术初探

查看评论  发表评论2008年01月07日 09:44分         作者：     来源：

【CNW.com.cn 专稿】对工业以太网的标准解释是，应用于工业控制领域的以太网（Ethernet）技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容。但在产品设计时，其材质的选用、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、安全性等，必须能满足工业现场的需要。

那么，怎么理解“工业现场的需要”呢？我们来看两个例子：

日前，广东省气象和环境监测局提出将搭建一个网络监控环境，用于监控排放污染。具体的方案是在各个排污口放一些摄像头和负责污染指标测量的传感器，实时地收集当地污水的排放量、流量、温度等各种各样的环境检测指标。然后整个系统通过基于Web架构开发的分析软件进行简单的数据整理，生成的系统表格通过网络传输到总部的数据中心，从而建立一套覆盖全程的网络监控系统。

另一个例子来自通用汽车（巴西）公司。2006年，该公司实施了工业以太网解决方案。基于工业级交换机的新型基础架构，为巴西通用打造了一个集数据、音频及多媒体服务为一体的智能网络。可以整合有关汽车制造的所有程序，在一个统一综合的网络平台上进行生产开发、装配、销售及物流。

这两个例子可以让我们更好地理解“工业环境”的特殊内涵。应用于工业环境的网络必须具备远程、智能、实时控制和对恶劣工业环境的适应等一系列的性能。

通常情况下，人们习惯将工厂中的应用划分为信息层、控制层和现场层，而工业以太网正是基于网络技术，实现企业从现场控制层到管理层“一网到底”的无缝信息集成。

进入“现场”的力量

和工业现场的苛刻要求相比，以太网被认为是一种“非确定性”的网络，这种不确定性首先体现在其介质访问控制（MAC）层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）方式。当网络流量较大时，网络的稳定性不能满足工业控制的实时性要求；另外，以太网所使用的接插件、集线器、交换机和电缆等也主要是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；在工厂环境中，以太网的抗干扰（EMI）性能较差，应用于危险场合时，不具备本质安全性能；而且以太网不能通过信号线向现场设备供电，这使其在“现场”中只能被应用在有限的范围之内。

但一份来自ARC(Automation Research Company)的研究报告却对这种观点提出了挑战，该报告预测，今后Ethernet和TCP/IP技术将成为器件总线和现场总线的基础协议。

这份针对工业以太网市场提供的报告称，2004～2009年间，工业以太网市场的平均年复合增长率将高达51.4%。工业以太网交换机的年复合增长率将达到49.9%，到2009年，这个市场的总规模将达到9.398亿美元。报告得出结论说，以太网技术正在加速进入每一个工业应用环境。

通过分析可以看到，5个技术优势成为以太网进入工业“现场”的关键动力：首先，以太网的高数据传输速率（包括百兆、千兆以太网）能够为工业控制网络应用提供足够的带宽；第二，由于具有统一的通信协议，以太网和TCP/IP很容易集成到企业的IT系统，为协同管理和业务集成提供了便利；第三，是在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；第四，在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；最后，以太网允许使用不同的物理介质，构成不同的拓扑结构，因此，具有更好的环境适应性和组网灵活性。

“边缘”工程

高性能计算、新型数据中心、海量数据处理等高端应用是以太网发展的原动力，与之相比，工业以太网的技术属于边缘层面。举例来说，目前，10/100M的快速以太网已开始广泛应用在办公和企业管理方面，而10G以太网技术也逐渐成熟，面向更高应用需求的100G标准已在酝酿之中，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s。显然，在传输速率上，以太网要比总线技术快得多，但与数据以太网依赖于技术提升的发展模式不同，工业以太网是一个需要全面配合的系统“工程”。

通信兼顾确定性与实时性

工业控制应用在工业设备的工作流程中，因此，其控制作用必须实时地体现到工作流的每一个控制点上，这就要求网络的信号传输要足够快，以满足信号的实时性。实时控制往往要求对某些变量的数据进行准确定时地刷新，快速以太网与交换技术是解决这一问题的关键。当前以太网的通信速率已经从10M、100M增大到10G，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。其次，工业以太网采用星型网络拓扑结构将网络划分为若干个网段。交换机由于具有数据存储、转发的功能，可以使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲。同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不须经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。以太网交换的全双工通信使得端口间两对双绞线上分别同时接收和发送报文帧，不会发生冲突。因此，采用交换机和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在，因此，使通信确定性和实时性有效提高。

稳定性与可靠性

传统以太网没有考虑对工业现场恶劣环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此，网络设备在工厂环境中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和在极端条件下网络能稳定工作的问题，一些公司专门开发和生产了工业以太网交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并提供冗余电源供电。（DIN是德国工业标准，使用导轨是工业电气元件的一种安装方式，安装支持此标准的电气元件可方便地卡在导轨上而无需用螺丝固定，维护也很方便）

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