以太網(wǎng)應用關(guān)鍵技術(shù)及設計方案集錦

　　引言

　　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，是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。以太網(wǎng)絡使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標準相類似。

　　工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(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IEEE802.3標準）兼容，產(chǎn)品設計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

　　Ethernet過去被認為是一種“非確定性”的網(wǎng)絡，作為信息技術(shù)的基礎，是為IT領(lǐng)域應用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領(lǐng)域只能得到有限應用，這是由于：

　　Ethernet的介質(zhì)訪問控制（MAC）層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網(wǎng)絡負荷較重時，網(wǎng)絡的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求；

　　Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求；

　　在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；

　　Ether-net不能通過信號線向現(xiàn)場設備供電問題。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決。

　　Ethernet應用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)

　?。ㄒ唬┩ㄐ糯_定性與實時性

　 　工業(yè)控制網(wǎng)絡不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量 的數(shù)據(jù)準確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難 以滿足控制系統(tǒng)要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡。

　　工業(yè)以太網(wǎng)采取了以下措施使得該問題基本得到解決：

　　采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡帶寬

　　Ethernet的通信速率從10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡碰撞機率大大下降，從而提高其實時性。

　　采用全雙工交換式以太網(wǎng)

　　用交換技術(shù)替代原有的總線型CSMA/CD技術(shù)，避免了由于多個站點共享并競爭信道導致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費，同時還可以實現(xiàn)全雙工通信，提高信道的利用率。

　　降低網(wǎng)絡負載

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡與商業(yè)控制網(wǎng)絡不同，每個結(jié)點傳送的實時數(shù)據(jù)量很少，一般為幾個位或幾個字節(jié)，而且突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生，因此可以通過限制網(wǎng)段站點數(shù)目，降低網(wǎng)絡流量，進一步提高網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性。

　　應用報文優(yōu)先級技術(shù)

　　在智能交換機或集線器中，通過設計報文的優(yōu)先級來提高傳輸?shù)膶崟r性。

　　（二）安全性

　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設備，都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

　 　在目前技術(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，即通過對Ethernet現(xiàn)場設備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現(xiàn)場設備本身的故 障產(chǎn)生的點火能量不外泄，以保證系統(tǒng)運行的安全性。對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。

　　工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全是工業(yè)以太網(wǎng)應用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運作效率。

　　但同時也引人了一系列的網(wǎng)絡安全向題，工業(yè)網(wǎng)絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅。

　　一般情況下，可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡進行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡的安全管理。

　?。ㄈ┓€(wěn)定性與可靠性

　　傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應用而設計的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此對設備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。

　 　為了解決在不間斷的工業(yè)應用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定工作的問題，美國SynergeTIc微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann，Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。

　　此外，在實際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡的抗干擾能力和可靠性。

　?。ㄋ模┛偩€供電問題

　　總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設備提供工作電源。對于現(xiàn)場設備供電可以采取以下方法：

　　在目前以太網(wǎng)標準的基礎上適當?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設備端再將這兩路信號分離開來。