工业以太网技术的应用探讨

1、以太网技术的应用探讨一、引言工业以太网是应用干工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准兼容-产品设计时，在材展的选用、产品的强度，适用性以及实时性,可互操作性、司脸%抗中排球.褊安全礴猴输赢足工鹿的韶&Ethernet过去被认为是一种“非确定性0的网络，作为信息技术的基础,.是为IT领域应用而可萋珈,栋R蜂幽幽积HR型质阈即这是由手(1Eihemet的介用问削(MAC层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)方式，当网络负荷较重时,璃的确定性不能满足工业控制的实时性要求:(2)Ethernet所用的接插件、集我恭、在工厂环交换机和电缆等是为办公空应

2、用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求;境中,Ethernet抗干扰EM修性能较差.若用于危险场合以太网不具备本质安全性能:：4)Ethernet不能通过倡号线向现场设备供电向题.随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展,上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决,二.Elhernet应用于工业现场的关键技术(1)通信确定性与实时性工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足拽制作用对实时性的要隶,即信号传输要足够快球星信号版施正菱时控制往往要求对某纲隔而数据脑般哂W新ikFEthernet,用CSWVCD方式，网常数荷燃时九网络传输

3、的不确定性不悔满却他摆制的实时舞求，雌国以求网拨和龈赢超掷懒鲍输睡帽醺的实时楼要求,一直被视为“非确定性”的网络，工业以太网采取了以下措施使得像问题基本得到解决*L采用快速以太网加大网络带宽Ethernet的通信速率从10、100Mb/s增大到如今的310Gb/s.，在数据吞吐量相同的情况下J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，即网络碰撞机率大大下降，从而提高其实时性。采用全双工交换式以太网襄用交换技术替代原有的总线型CSWVCD技术，避免了由于宝布帖席共事蝌睁便地要装发生的碰撞工蹴了信道带宦的浪缰，同时还可以实现全双工通信艮提高信遗的利用率.降低网络负载工业控制网络与商业

4、控制网络不同,每个结点传送的实时数据量很少.r19v9u亨ahpvaN一般为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目“降低网络流量皆进一步提高网络传输的实时性.4；应用报文优先级技术，在智能交换机或集线器中,通过设计报文的优先级来提高传输(二)稳定性与可靠性翩帚hern上并祕为磁成用前网施装有蓍虑:啰回厢微的运应挨舸电于Rfe或埔的机喊气稼至澳等案件如常会时因碱线翻缶I画靠性提母高碱求/在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性3为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和

5、德国HirsdhnnaJetterAG等鹫司雯开发和生产了导轨式敏;器、交换机产品，安装在标准DIN导轨匕并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构“此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输,现场设备的连接则可采用屏蔽双线线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可旎性,(三)安全性在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃车易爆或有毒气体等,对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取1定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产.在目前技术条件下一对以太网系统采用隔爆,防爆的措施比较可行，即通过对Ethernel现场设备采取增安、.气密,骁封等隔爆措施,

6、梗现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄,源而商温容而蛭I缸旃融前端施城要将5韭危窗施曲则而成不落凝杂而底爆措施以工业系统的网络安全是工韭以太网应用必须考虑的另T安全性问题工业以太网可以将企业传统的三层网络系统,即信息管理层，过程监控层、现场设备层一合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享,提高工厂的运作效率小但同时也引入了一系列的网络安全向题,工业网络可能会受到包括病毒感染，黑客的非法入侵局非法操作等网络安全威胁.一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理.（四

7、X总线供电问题总线供电区或标总线馈电r是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号一还能给现场设备提供工作电源对于现场设备樵电可以采取以下方法上JI9.I.网制到个直流或侬8臊蝴二 在鳏溪翻谣I号两路信号分蠢开来.Q J O , 。 / , a . 上d J M 、 _V .； L ；： ；a .。用二2， 厂 J： 上”,.：2.不改变目前物理层的结构，而通过.连接电统中的宝闲线缆为了 . If/a /一1.在目前以太网标准的基础上适当地修改物理野的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号三、工业以太网协议当以太网用于信息技术时应用层包括HTTP、FTP,SNMP等常用协议，但当它用手XB控制时已体现在

8、应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议,目前还没有统一的应用层协议,但受到广泛支持笄已经开发出相应产品的有以下凡种主要协.一一-ModbusTCP/IP督制膜由西翩峪司脚打以一种割H简单的会将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为ModbusTCP/IP.这是一种面向连接的方式,每一个峰码都要求fi这种呼叫博答的机制与Mo&MJt的剃同噱而宜倒台疗使交提或以太网具有很高的确定性；利用TCP/IP协议,通过网页的形式可以使用户界面更加友好于L卜：；r心扑网1二设了一行L利耐德山，”为Mod-bus：鹏了502端口一这样就可以将实时数据

9、嵌入到网页中,通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端a（二）ProfiNet针对工业应用需求/德国西门子于2001年发布了该协议,它是将原有的Profibus与互itif”ifH,联网技术结合；形成了ProfiNel的网络方案，生要包括,1）基于姐件对象模型（COM）的分布式自动化系统：【2规定了ProfiNet现场息线和标准以太网之间的开放、透明通信;（3）提供了一个独立于制遇商包括设备层和系统层的系统模型看画州或果用标港TCP/IP十以太南作湖域果用株淄的印PIM勘口上应用层的RPC/DCOM来完凝节:点间的遹信椰!绪钥也它可以同咽的懒Profibus承统和新

10、型的智能现场设备V现有的Profibus网段可以通过一个代理设备Eproxy）连接到ProfiNet网络当中，使整Profibus设备和协议能够原封不动地在Pel中使用己传统的Profibus设备可通,过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信,笄通过OLE自动化接口实现COM对象间的调用.（=）HSE基金会现场总线FF于200。年发布Ethernet规范.称HSE(HighSpeedEthernet)后.0HSE是以太网怖议IEEE802-3,TCP/IP酬议族与FFIII的结合体.FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与Intemet的集成,网桥功能能HSE技术的

11、一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将HI（31.25kb/s）设备连够用于连接亲个H1总线网段.使同H1 g段上的m设备之间能辨进行对等通信而无需主接100Mb/s的HSE主干网的关键组成部分母同时也具有网桥和网关的功能机系统的干涉*网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络,HSE链够初褊要为H：子瘫归酸楙k而是球首恿丽段战文蓑獭腕擀直将HI地址转化为IP地址.(四)Ethernet/IPEthernetIP是适合工业环境应用的协议体系也它是由ODVA（OpenDevicenetVendorsAsso-cation)4flControlNetInternationa

12、l两大H业组织推出的最新成员与DeviceNet和ControlNet一样，它们都是基于CIP(ControlandInformationProto-Col)协议的网络它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式C控制的实时I/O信息和显式信息。包括用于组态、参数设置、诊断等）:的有效传输.Ethernet/IP采用和DeviceNet以及ControlNet相同的应用层协议CIP.因此，它们使用枸同国畔粼帕逢的柠蛛与具有臂好的一爨出Ethernet/jp来揭蛹雌Ethernet和TCP/IP技术传送CIP通信包，这样通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的Ethernet和TCP/I

13、P协议，就构成Ethernet/IP协议的体系结典品U!u工业以太网的优势（一）应用广泛以太网是应用最广弦的计算机网络技术,几乎所有的编程语言如VisualC+.Java亩VisualBasic等都支持以太网的应用开发诏（二）通信速率高目鼬1鼠100Mb/s的快速以太网日琏F应用,Gb/s以太网技术也透渐做口而传统的现场总线最高速率只有12Mb/sG如西口子Profibus-DP）一显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断锵长的带宽要求更（三）成本低廉以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多（约为1/10）另外,以太网已经应用*.丁OrQ0.*3.W?v.奏乐

14、人的对以太廊的谢k胡骆方面有很费经验L幅相当成熟的技术“大量的软棒源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度.（四）费源共享能力强随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源#（一）混合EtherneVFieldbus的网络结构这种靖构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式以太网正在逐步向现撷峥的寂他善鲍泌胸襁猫施藤健向刚高但良太时和TCP/IP原本不是菌向搐制领域的，在体系结构、极设规则、物理介双，数据%软件、实验环境等诸委方而笄不成熟.而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络

15、的基本要求,实现真正的全分布式系一.4：.，r0J.?r厂。，F产aVL.：.bP：/,1*:*1.。r。统此，在企业信息层采用以太同步而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现两者的俏盘交换a（二）专用工业以太控制网络如何利用工业以太网单独作为控制网络是工业以太网的发展方向之一.也是工业控制领域的研究热点之一“如德国JetterAG公司的新一代控制系统JetWeb,是融现场总统技术、100Mb/s以太网技术、CNC技术、PLC技术I可视化人机接口技术和全球化生产管理技术为一体的工业自动化控制系统，同时具有广泛的兼容性,可兼容第三方自动化控制产品,提出“网络就是控制器15的观点,是取代所有底层现场总线的工业网络结构这种工业控制网络是将以太网贯穿于整个网络各层次，使它成为透明的覆盖整个企业范p