陳明森以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)分析

1、陳明森：以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)分析陳明森摘要：工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(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IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但是實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用卻又完全不同。這主要表現(xiàn)普通商用以太網(wǎng)的產(chǎn)品 設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)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、可靠性、抗干擾性、 本質(zhì)安全性等方面不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。關(guān)鍵詞：工業(yè)控制；以太網(wǎng)；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的強(qiáng)大的區(qū)域和單元 網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)，提供了一個(gè)無縫集成到新的多媒體世界的途徑。 企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)（Intranet），外部互聯(lián)網(wǎng)（Extranet），以及國(guó)際互聯(lián) 網(wǎng)

2、（Internet）提供的廣泛應(yīng)用不但已經(jīng)進(jìn)入今天的辦公室領(lǐng)域，而 且還可以應(yīng)用于生產(chǎn)和過程自動(dòng)化。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運(yùn)行之 后，具有交換功能，全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u的標(biāo)準(zhǔn)）也已成功運(yùn)行多年。采用何種 性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要。通用的兼容性允許用戶無縫升級(jí)到 新技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件 產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為最受歡迎的通 信網(wǎng)絡(luò)之一。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域, 形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向分

3、布化、智能化控制方面發(fā)展,開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要 求。以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：（一）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同 廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。（二）以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形 成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。（三）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太 網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和 硬件設(shè)備供用戶選擇。（四）通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提 高，對(duì)信息量的需求也越來越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳 輸，當(dāng)前以太網(wǎng)的通信速率為10M、1

4、00M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用， 千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比現(xiàn)場(chǎng) 總線快很多。（五）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時(shí)代，企業(yè)的生存 與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技 術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技 術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。工業(yè)以太網(wǎng)介紹及與普通以太網(wǎng)區(qū)別1.以太網(wǎng)的主要缺陷在講以太網(wǎng)的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機(jī) 制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)?網(wǎng)絡(luò)。它最早出現(xiàn)在1972，由XeroxPARC所創(chuàng)建。當(dāng)前以太網(wǎng)采用 星型和總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10M

5、b/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更 高。以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了 CSMA/CD 技術(shù)。在傳統(tǒng)的共享網(wǎng)絡(luò)中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的 物理介質(zhì)相連，這就意味著2臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào) 見的互相沖突。為了解決這個(gè)問題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個(gè)站點(diǎn)訪問介 質(zhì)前，必須先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上有沒有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。如果有 則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少?zèng)_突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng) 常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)CSMA的算法2。由于以太 網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要 求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還

6、存在著明顯的缺陷。但其成本比 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場(chǎng) 總線廠商大開了方便之門，但是，要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求，還 必須克服以下缺陷：1.1確定性由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在 沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大時(shí)，更加明顯。對(duì)于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如 果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確 定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處的不確定性， 必然會(huì)帶來系統(tǒng)控制性能的降低。1.2實(shí)時(shí)性在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件的反應(yīng)時(shí)間的可 測(cè)性。也就是說，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確

7、預(yù)見 的時(shí)間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十 分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng) 存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以 嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。 而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生 產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備，人身安全事故。1.3可靠性由于以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用 到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，面對(duì)惡劣的工況，嚴(yán)重的線間干擾等，這些都必然會(huì)引 起其可靠性降低。在生產(chǎn)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，以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組

8、件發(fā)生故障時(shí)， 不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。2,以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用解決機(jī)制針對(duì)以太網(wǎng)存在的三大缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域的 要求。下面介紹幾種解決機(jī)制：2.1高速以太網(wǎng)我們知道當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載越大的時(shí)候，發(fā)生沖突的慨率也就越 大。有資料顯示當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)菏低于36%時(shí)，基本上不會(huì)發(fā)生沖突， 在負(fù)荷為10%以下時(shí)，10M以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每五年一次。100M以太 網(wǎng)沖突機(jī)率為每15年一次。但超過36%后隨著負(fù)荷的增加發(fā)生沖突 的慨率是以幾何級(jí)數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就 可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。幸運(yùn)的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達(dá) 100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細(xì)致全面的設(shè)計(jì)及對(duì)系統(tǒng)中的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè) 網(wǎng)絡(luò)。2.2 IEEE1588對(duì)時(shí)機(jī)制IEEE1588定義了一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地 計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議(PTP)。此協(xié)議并不是排 外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達(dá)微秒范圍。它使 用時(shí)間印章來同步本地時(shí)間的機(jī)制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)同步控制信號(hào) 產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達(dá)到的精度