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工业以太网概述方案简介

姚琳?? EDN China?? 2009年07月31日 ?? 收藏0

  生产规模的扩大和复杂程度的提高推动着现场总线和现场总线控制系统的发展。从20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统,到七八十年代的集中式数字控制系统,到八、九十年代的集散控制系统(DCS),再到近些年的现场总线控制系统(FCS)。目前已开发出有40多种现场总线,如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,其中最具影响力的有5种,分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks。

  这些纷繁复杂的现场总线在提高系统工业控制系统的性能和自动化程度的同时,也让用户陷入如何选择现场总线、如何延长系统寿命、如何保护已有投资和如何与上层的办公自动化网络连接的困惑当中。

  敬请浏览EDN China网站的工业电子技术频道(http://www.ednchina.com/TechClass/Industry/),获取更多有关工业以太网芯片、控制器、附件等产品的信息,并至工业电子论坛(http://bbs.ednchina.com/ShowForum.aspx?id=26),与读者、网友和技术专家共同交流探讨。

  工业以太网的推出,有助于解决上述问题。工业以太网在技术上与商用以太网(IEEE802.3标准)兼容,但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在:以太网技术应用广泛,得到所有的编程语言的支持;软硬件资源丰富;易于与Internet连接,实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接;可持续发展的空间大等等。
  
  随着以太网设备(集线器、交换机、收发器等)的价格降低(每年约下降10%~15%),越来越多的用户、厂商、集成商在使用带以太网接口的产品。IEC已经通过了14种推荐的工业以太网标准。用户可以按照自己的要求,选择不同的以太网协议和相关的产品,而且不同的以太网产品可以在同一个以太网上共存。

  相对于传统的商用网络,工业以太网要解决要解决以下主要问题:环境适应性、可靠性、本质安全与安全防爆、便于安装。

  典型的工业以太网采用冗余以太网光纤环路架构。主要产品有集线器、传输介质转换模块(光电转换)、以太网交换机(管理型和非管理型),以及连接器、电缆光缆等。

  纷乱的标准与一网到底

  以太网并不是为实时应用而设计的,这是它的先天缺陷。以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制,而具有通信不确定性的特点,并一度成为它应用于现场总线的主要障碍。因此,仅仅通过采取一些措施,提高以太网设备应用的可靠性和环境适应性,工业以太网仍然没有能够解决通信实时性问题。

  工业以太网技术的不足还在于:缺乏统一的工业以太网硬件标准,在线缆,接插件等方面均无统一标准;没有统一的工控的应用层协议,由于以太网技术规范只定义了物理层和数据链路层,在其上的网络层和传输层协议,目前以TCP/IP协议为主。

  为此,各大公司都在研究基于以太网的通信确定性和实时性问题,并取得了一些重要成果,其中有些成果已通过了工业现场的实际应用验证。

  目前现场总线体系中,基于以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外,还包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等标准。

  众多的标准使最终用户“一网到底”的愿望还只能是愿望,而且工厂网络各层之间的连接往往通过采用PC、PLC或其他专用设备作为网关加以实现,而这些网关造成了同质网络之间的相互隔离。

  替代性的解决办法是可以指定惟一一种标准协议,在此基础上实现一网到底;二是做到实时域与非实时域的隔离。为了保证实时域与非实时域之间、一个实时域和另一个实时域之间不相互干扰,必须对实时域与非实时域进行隔离。比如一个PowerLINK的实时网络在连接到上一级网络时必须采用EPL网关,这个网关对于以太网协议是透明的,只是将实时报文和同步信息限制在实时域中;三是在工业网络与企业网络之间、在有线网络和无线网络之间、企业网络和INTERNET之间采用防火墙。

  以太网存在实时数据和非实时数据竞争网络资源的情况,但是随着以太网交换机的引入、合适的调度策略的应用,一定程度上缓解了这种现象并可能最终得到解决。对于多播问题,可采用CGMP(思科组管理协议)、IGMP Snooping(互联网组管理协议窃听)和GMRP(GARP多播注册协议)来解决。

  由于目前企业内传统仪器仪表占绝大多数,一些公司已经开发出以太网接口模块,比如研华公司的端口服务器系列如ADAM-457×/EDG-450×,可以把支持串行通信的传统设备直接连入以太网;除了支持虚拟串口传输方式,还支持TCP/IP协议。

工业以太网交换机
图1,工业以太网交换机。


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工业以太网? 现场总线? 交换机? 控制器?

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