工业以太网的特色技术及其应用选择

工业以太网的特色技术及其应用选择

发布时间：2007-05-15

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关键词：工业以太网实时特色技术

编者按：工业以太网成为自动化领域业界的技术热点已有时日，其技术本身尚在发展之中，还没有走向成熟，还存在许多有待解决的问题。究竟什么是工业以太网，它有哪些特色技术，如何应用与选择适合自己需求的工业以太网技术与产品，依然是今天人们所关心的问题。

一什么是工业以太网

工业以太网技术，是以太网或者说是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术原本不是为工业应用环境准备的。经过对工业应用环境适应性的改造，通信实时性改进，并添加了一些控制应用功能后，形成了工业以太网的技术主体。因此，工业以太网是一系列技术的综称。

二工业以太网涉及企业网络的各个层次

企业网络系统按其功能划分，一般称为以下三个层次：企业资源规划层(Enterprise Resource Plan NI ng, ERP)、制造执行层(Manufacturing Excurtion System, MES)和现场控制层(Field Control System，FCS)。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业信息系统。(

见图1)

图中的ERP与MES功能层属于采用以太网技术构成信息网络。这个层次的工业以太网，其核心技术依然是信息网络中原本的以太网以及互联网系列技术。工业以太网在该层次的特色技术是对其实行的工业环境适应性改造。而现场控制层FCS中，基于普通以太网技术的控制网络、实时以太网则属于该层次中工业以太网的特色技术范畴。可以把工业以太网在该层的特色技术看作是一种现场总线技术。除了工业环境适应性改造的内容之外，通信实时性、时间发布与同步、控制应用的功能与规范，则成为工业以太网在该层次的技术核心。

无论是在工业环境下运行的计算机网络，还是基于普通以太网技术的控制网络，以及新兴的实时以太网，均属于工业以太网的范畴。工业以太网技术涉及到企业网络的各个层次。

三工业以太网的特色技术

以太网进入工业应用领域所形成的工业以太网，要在继承或部分继承以太网原有核心技术的基础上，面对环境适应性，通信实时性，时间发布与各节点间的时间同步、网络供电、本安防爆、网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决方案。以太网或互联网原有的核心技术是工业以太网技术的基础，而原有技术的基础上，对其环境适应性，通信实时性等实行相关改进、添加而形成的部分，就是工业以太网的特色技术。

1. 环境适应性

在工业环境下工作的网络要面临比办公室恶劣得多的条件。工业生产中面临的强

电磁辐射、各种机械震动、粉尘、潮湿，野外露天的严寒酷暑、风霜雨雪、地下水中等工作环境。工业以太网要立足于工业应用环境，首先需要应对这些问题带来的困绕。

针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品称之为工业级的产品。防护级

工业产品是工业以太网特色技术的重要体现之一。这些工业级产品专门针对工作温度、湿度、振动、电磁辐射等工业现场环境的不同需要，分别采取了相应的措施。如工业以太网设备的元器件，其工作温度的适应范围一般要求较宽。其元器件的工作温度，一般会选择在-20℃～+70℃或-40℃～+85℃乃至更宽。工业环境下，往往要求采用DIN导轨式安装。办公室使用的RJ45连接器，应用于工业环境太易损坏，连接不可靠。工业环境下的接插件应具有带锁紧机构等抗震动措施。设备壳体与电路板应具有抗电磁干扰、防水防雨、抗雷击等方面防护措施。设备的材质、强度、抗振动、抗疲劳能力等，都是需要考虑的问题。

工业用户因使用办公室商业级交换机而使网络处于故障多发状态，导致生产效率

降低时，认识到了在工业环境中应该采用工业级产品。许多公司开发了针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品。目前市场上典型的工业级的产品有：安装在DIN导轨上的导轨式收发器、集线器、交换机；冗余电源；特殊封装的工业级以太网接插件等。工业以太网交换机的目前的防护等级为IP20 ～IP40。当工业网络更深入地扩展到流程工业等制造业时，其防护等级需要增长至IP67～IP68。目前工业以太网的产品中，这部分产品占有主要的市

场份额。

a. 网络供电

网络传输介质在用于传输数字信号的同时，还为网络节点设备传递工作电源者，被称之为网络供电。在办公室的信息网络中，网络节点设备的供电问题易于解决，网络传输介质只是用于传输信息的数字信号，没有网络供电的需求。而在工业应用场合，许多现场控制设备的位置分散，现场不具备供电条件，或供电受到某些易燃易爆场合的条件限制，因而提出了网络供电的要求。因此网络供电也是适应工业应用环境需要的特色技术之一。有些现场总线，如基金会总线FF等就具备总线供电的能力。

工业以太网目前提出的网络供电方案中，一种是沿用IEE

E802.3af规定的网络供电方式，利用5类双绞线中现有的信号接收与发送这两对线缆，通过供电交换机向网络节点设备供电。也可以利用现有的5类双绞线中的空闲线对向网络节点设备供电。一般工业应用环境下，要求采用柜内低压供电，如直流10～36V，交流8～24V。

b. 本质安全

在一些易燃易爆的危险工业场所应用工业以太网，还必需考虑本安防爆问题。本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火花所需能量的限度之内而采取的措施。这对网络节点设备的功耗，设备所使用的电容、电感等储能元件的参数，以及网络连接部件，提出了许多新的要求。应该说，总线供电、本质安全等问题是以太网进入现场控制层后出现的新技术，属于工业以太网适应工业环境的特色技术范畴，属于开发之中尚未成熟的部分。目前还未见工业以太网有此类系列产品上市。

2. 通信实时性、确定性

以太网采用IEEE802.3的标准，采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的媒体访问控制方式。因而以太网本质上属于非确定性网络。由于计算机网络传输的文件、数据在时间上没有严格的要求，在计算机网络中不会因采用这种非确定性网络而造成不良后果，一次连接失败之后还可继续要求连接。但这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是以太网进入工业应用领域在技术上的最大障碍。

在现场控制层，网络是测量控制系统的信息传输通道。而测量控制系统的信息传输是有实时性要求的。什么时刻必须完成哪些数据的传输，一些数据要以固定的时间间隔定时刷新，一些数据的收发应有严格的先后时序要求。还有一些动作要有严格互锁，如A阀打开后才能启动B风机，前一动作的完成是后一动作的先决条件。要确保这些动作的正确完成就要求网络通信满足实时性、确定性、时序性要求，达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，有可能造成灾难性的后果。

实时以太网是工业以太网针对通信实时性、确定性问题的解决方案，属于工业以太网的特色与核心技术。站在控制网络的角度来看，工作在现场控制层的实时以太网，实际上属于一种新的现场总线。

实时以太网是尚在开发之中的未成熟技术。目前市场上也难得见到实时以太网的系列产品。处于开发之中有代表性的实时以太网控制类产品有：带实时以太网接口的PLC、PAC、执行器、变送器、分布式/远程IO，网桥等。

当前实时以太网旗下的技术种类繁多，仅在IEC61784-2中就已囊括了11个实时以太网的PAS文件。它们是：Ethernet/IP，PROFInet，P-NET，INTERBUS，VNET/IP ，TCnet，

EtherCAT，ETHERNET Powerlink，EPA，MODBUS-RTPS，SERCOS-III。它们在实时机制、实时性能、通信一致性上都存在很大差异。这也许是IEC旗下现场总线标准大战的延续吧。

上述多种实时以太网技术中，有的采用商业以太网通信芯片和RT-CSMA/CD协议实现软实时(SRT)机制。它将网络节点分为实时与非实时两类。系统中的非实时节点依然遵循某种P-CSMA/CD协议，而实时节点遵循RT-CSMA/CD协议，其实时性能等级可达到毫秒级。有的采用专为实时以太网开发的专用通信芯片，实现等时同步实时(Isochronous Real Time)通信机制。在高精度运动控制中，用它来支持多个相关站点间的严格精确同步时，其实时性能等级可达到微秒级。还有的采用基于IEEE 1588时钟同步协议，运用软硬件配合的方式实现其实时机制，可实现微秒、乃至纳秒级的高精度时钟同步策略。

3. 基于普通以太网的控制网络

控制网络中需要实时通信技术的支持，但也并非是所有测量控制系统都有那么高的实时性要求。由于普通以太网原本就具有交换技术与高传输速率，加上在控制网络设计之初就注意有效配置网络负荷，使得基于普通以太网通信技术的控制网络，也可以满足一些对实时性要求不那么高的测量控制系统的需要。如楼宇自动化等。

在PLC等现场测量控制设备中集成以太网通信接口，组成了基于普通以太网技术的控制节点与网段，这是工业以太网的又一特色技术。把信息网络的普通以太网技术用于控制网络，还需要网络调度、驱动隔离等软硬件方面的许多技术改进。

随着ASIC芯片集成度的提高与功能的增强，单个芯片内就可包括CPU、存储器、多种通信接口、I/O接口等。采用带以太网接口的多功能芯片，添加驱动、隔离电路等，便可形成嵌入式以太网控制节点。基于普通以太网技术的嵌入式节点有的还可同时兼有

CAN2.0B， Bluetooth等通信接口。可方便地实现TCP/IP协议栈，集成Web服务器等。因此，基于普通以太网技术的控制网络，在控制领域

可以充分发挥出普通以太网所具有的技术成熟，软硬件丰富、性能价格比高等优势。

基于普通以太网的控制网络，所采用的技术相对成熟，已经有了一些应用实例，但其应用范围要受到实时性要求的限制。

四工业以太网技术的应用选择

工业以太网的特色技术还有许多，如应用层的控制应用协议，控制功能块，控制网络的时间发布与管理，都是以太网、互联网中原先不曾涉及到的技术。发展迅速的工业无线以太网，包括工业无线局域网、工业无线个域网，也都当属在工业应用中可供选择的工业以太网特色技术。

从实际应用状况分析，以太网进入工业应用领域的应用场合各不相同，有的用作工业环境的信息网络通信，有的用作现场总线的高速(或上层)网段，有的是基于普通以太网技术的控制网络，而有的则是基于实时以太网技术的控制网络。不同网络层次、不同应用场合需要解决的问题，需要的特色技术内容各不相同。工业环境的信息网络通信并不要实时以太网的支持；在需要抗震动措施的场合不一定要求耐高温。总之，具体到某一应用环境，并不一定需要涉及方方面面、一应俱全的解决方案。应根据自身的应用需要，分别选取适合自己特色技术。

五结束语

由

于以太网技术具有的独特技术优势，使其正在工业应用领域不断渗透、迅速发展，形成了以普通以太网技术为基础，兼有多项特色技术的工业以太网。其中实时以太网、工业无线以太网等技术尚在发展之中，而且当前出现的多种实时以太网，其技术、性能的差异也较大。应根据使用场合的技术特点与需求、工作环境、产品的性能价格比等因素，选择适合各自应用需要的技术与产品。