工業以太網在現代化工業領域中的應用

一、 概述
眾所周知，在企業信息系統中，以太網已經成為事實上的標準網絡，工業實時控制是傳統以太網的延伸，幫助用戶構建更加開放集成的工業自動化和信息化網絡。工業以太網技術，它是標準以太網和通用工業協議的結合。首先他滿足了工業自動化的實時性要求，最初的以太網采用的CSMA/CD無法滿足工業實時性需求，當時采用的主要是現場總線和令牌環網，隨著技術的改進，交換機在實時性方面已經滿足從高精度時間同步（+-100ns）、分布式伺服控制、離散控制、過程控制到安全系統等所有工業應用要求，并支持現場和遠程監視、診斷和組態；當然，EtherNet/IP產品也可使用其他標準以太網上的服務如HTTP、SNMP等.。這意味著，工業自動化和企業信息系統更直接的集成，比如，無須附加編程，相關人員就可方便地通過網頁瀏覽器來組態、診斷并監視工廠設備。此外，EtherNet/IP還從EMC、安裝防護等級各方面做出規定，保證EtherNet/IP產品的嚴格工業環境適應性。
二、工業以太網技術的特點
2.1 通信確定性與實時性
工業控制網絡不同于普通數據網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據準確定時刷新。由于EtherNet采用CSMA/CD方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制的實時要求，故傳統以太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網絡。 然而，快速以太網與交換式以太網技術的發展，給解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應用成為可能。首先，EtherNet的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降。其次，采用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。EtherNet交換機由于具有數據存儲、轉發的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生碰撞；同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發送報文幀，也不會發生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網絡上的沖突域不復存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此使EtherNet通信確定性和實時性大大提高。
2.2 穩定性與可靠性
傳統的EtherNet并不是為工業應用而設計的，沒有考慮工業現場環境的適應性需要。由于工業現場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設備的工業可靠性提出了更高的要求。在工廠環境中，工業網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應用領域，在極端條件下網絡也能穩定工作的問題，德國Hirschmann等公司專門開發和生產了工業以太網交換機等產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電。
2.3 安全性
工業系統的網絡安全是工業以太網應用必須考慮的另一個安全性問題。工業以太網可以將企業傳統的三層網絡系統，即信息管理層、過程監控層、現場設備層，合成一體，使數據的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現數據的共享，提高工廠的運作效率。但同時也引人了一系列的網絡安全向題，工業網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絡安全威脅。一般情況下，可以采用網關或防火墻等對工業網絡與外部網絡進行隔離，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制加強網絡的安全管理。
2.4 總線供電問題
總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現場設備的線纜不僅傳輸數據信號，還能給現場設備提供工作電源。對于現場設備供電可以采取以下方法：
（1）在目前以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范，將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離開來。 （2）不改變目前物理層的結構，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供電源。