以太網(wǎng)
以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范,是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù),并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。
IEEE802.3規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù),它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。歷經(jīng)100M以太網(wǎng)在上世紀(jì)末的飛速發(fā)展后,千兆以太網(wǎng)甚至10G以太網(wǎng)正在國際組織和領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)的推動下不斷拓展應(yīng)用范圍。
常見的802.3應(yīng)用為:
10M: 10base-T (銅線UTP模式)
100M: 100base-TX (銅線UTP模式)
100base-FX(光纖線)
1000M: 1000base-T(銅線UTP模式)
工業(yè)以太網(wǎng)
一般來講,工業(yè)以太網(wǎng)是專門為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容,工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計算機(jī)和商用計算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要,需達(dá)到以下幾個方面的要求。
?。?) 適應(yīng)性
包括機(jī)械特性(耐振動、耐沖擊)、環(huán)境特性(工作溫度要求為-40~+85℃,并耐腐蝕、防塵、防水)、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 可靠性
由于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣,對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。
?。?) 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)
對應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設(shè)備,都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)?,F(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質(zhì)安全型兩類。與隔爆型技術(shù)相比,本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點火源能量作為防爆手段,可以帶來以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、造價低;可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大,一般都在六七十mA(5V工作電源),因此低功耗的現(xiàn)場設(shè)備(如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)設(shè)計難以實現(xiàn)。因此,在目前的技術(shù)條件下,對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面,對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險場合,則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。
?。?) 安裝方便,適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求,如采用DIN導(dǎo)軌安裝。
工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用
由于以太網(wǎng)無可爭議的優(yōu)勢,將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域正成為人們關(guān)注的熱點。介紹了企業(yè)信息化系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu),分析了以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域要解決的一些問題,展示了以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀,并展望其發(fā)展前景。
在工業(yè)生產(chǎn)中,隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高,實際應(yīng)用對控制系統(tǒng)的要求越來越高。在20世紀(jì)50~60年代,以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨后是在70~80年代,集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)的出現(xiàn),把大量分散的單回路測控系統(tǒng)通過計算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理,用各種I/O功能模塊代替控制室儀表,利用計算機(jī)實現(xiàn)回路調(diào)節(jié)、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等多種功能,從而實現(xiàn)了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。
DCS一般由操作站級、過程控制級和現(xiàn)場儀表三級組成,其特點是“集中管理,分散控制”,基本控制功能在過程控制級中,工作站級的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個局部的不可靠而造成對整個系統(tǒng)的損害降到較低的程度,且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟,極大地提高了整個系統(tǒng)的可靠性,因而迅速成為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主流。但DCS的結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系,底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過主機(jī),從而造成主機(jī)負(fù)荷過重,效率低下,并且主機(jī)一旦發(fā)生故障,整個系統(tǒng)就會“癱瘓”。而且DCS是一種數(shù)字—模擬混合系統(tǒng),現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4~20mA模擬信號,工程與管理成本高,柔性差。此外各制造商的DCS自成標(biāo)準(zhǔn),通訊協(xié)議封閉,極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用。
進(jìn)入90年代,具有數(shù)字化的通信方式、全分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高度的環(huán)境適應(yīng)性等特點的現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)迅速崛起并趨向成熟,控制功能全面轉(zhuǎn)入現(xiàn)場智能儀表,而在此基礎(chǔ)上形成的新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段,從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性,構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層、控制層和信息層。采用了現(xiàn)場總線技術(shù)使控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備成為可能,現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不僅是通信標(biāo)準(zhǔn),同時也是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。FCS正在走向取代DCS并推動著工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍。
? ? ? ?以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制時存在的問題
傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò),要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問題,主要有以下幾個方面。
(1) 存在實時性差,不確定性的問題
傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制,各個節(jié)點采用BEB(Binary Exponential Back-off)算法處理沖突,具有排隊延遲不確定的缺陷,每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)。通信時節(jié)點監(jiān)聽信道,只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時,才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后,還需要檢查是否發(fā)生碰撞,信息如發(fā)生碰撞,需退出重發(fā),因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應(yīng)確定性,不能滿足工業(yè)過程控制在實時性上的要求,甚至在通信繁忙時,還存在信息丟失的危險,從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。
?。?) 工業(yè)可靠性問題
以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計的,并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要,如超高或超低的工作溫度,大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強(qiáng)電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車間底層應(yīng)用,必須要解決可靠性的問題。
?。?) 以太網(wǎng)不提供電源,必須有額外的供電電纜
工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息,而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮,同時總線供電還能減少線纜,降低布線成本。
?。?) 以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)
?。?) 安全性問題
以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議,因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。沒有授權(quán)的用戶可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層,造成安全漏洞。對此,一般可采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理,但針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究。
?。?) 現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問題
上述這些問題中,實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。為了解決這一問題,人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。
結(jié)論
以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的新趨勢,在工業(yè)通信和自動化系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用,其優(yōu)越的性能,為您的應(yīng)用帶來巨大的利益:通過簡單的連接方式快速裝配。通過不斷的開發(fā)提供了持續(xù)的兼容性,因而保證了投資的安全。通過交換技術(shù)提供實際上沒有限制的通訊性能。各種各樣聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,例如辦公室環(huán)境和生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)。
在工業(yè)通信和自動化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段,向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放性方向發(fā)展,將是各種工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。市場占有率高達(dá)80%,
以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛、成長最快的局域網(wǎng)技術(shù),在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時,基于IP的全程一體化尋址,為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn)、共享、高速的信息化通道解決方案,也必將對工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
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