工业以太网的意义及其应用分析

以太网技术在工业控制领域得应用及意义

随着计算机与网络技术得飞速发展，在企业网络不同层次间传送得数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高得要求。

现场总线技术适应了工业网络得发展趙势，用数字通信代替传统得模拟信号传输, 大量地减少了仪表之间得连接电缆、接线端口等，降低了系统得硬件成本,被誉为自动化领域得计算机局域网。

现场总线得出现，对于实现面向设备得自动化系统起到了巨大得推动作用, 但现场总线这类专用实吋通信网络具有成本高、速度低与支持应用有限等缺陷, 以及总线通信协议得多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用与互可操作等, 无法达到全开放得要求，因此现场总线在工业网络中得进一步发展受到了限制。

随着Internet 41术得不斷发展，以太网己成为事实上得工业标准,TCP/1P得

简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/1P协议得以太网可以满足工业网络各个层次得需求。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业得上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆与接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别就是快速Ethernet与交换式Ethernet得出现，使人们转向希望以物美价廉得以太网设备取代工业网络中相对昂贵得专用总线设备。

Ethernet通信机制

Ethernet就是IEEE802. 3所支持得局域网标准，最早由Xerox开发，后经

数字仪器公司、Intel公司与Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet 采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s, W0 Mb/sJOOO Mb/s或就是更高,

传输介质可釆用双绞线.光纤、同轴电缆等，网络机制从早期得共享式发展到目前盛行得交换式，工作方式从单工发展到全双工。

在OSI/ISO 7层协议中,Ethernet本身只定义了物理层与数据链路层，作为

一个完整得通信系统，它需要高层协议得支持。自从APARNET将TCP/IP与

Ethernet捆绑在一超之后,Ethernet便采用TCP/1P作为其高层协议,TCP用来保

证传输得可靠性JP则用来确定信息传递路线。

Ethernet得介质访问控制层协议采用CSMA/CD,其工作原理如下：某节点要

发送报文时，必须先监听网络，如果网络繁忙则坚持监听网络，一旦网络空闲就发送数据；在发送数据过程中继续监听，如果检测到冲突则立即停比发送并发出一个强化冲突得干扰信号■通知所有节点此时得网络己经发生冲突，此时冲突各方卞动退避随机等待一段时间后再重新监听网络，该随机时间由BEB(Binary

Exponent i a I Back-off）算法确定 o 传统商用以太网主要缺陷及解决方案

由于Ethernet就是以办公自动化为目标设计得，并不完全符合工业环境得要求，将传统得Ethernet用于工业领域还存在明显得缺陷。但由于其技术简单、完全公开，

通过不断改进、提升，市场占有率越来越大，而成本越来越低，进而变成主流O据

VDC(Venrure Development Crop)调查报告.如今己有约95%得网络节点

具有Ethernet接口 o随着IT技术得快速发展,Ethernet引进了许多新技术与新标准，不仅提高了Ethernet实时能力，还进一步增强了柔性与可靠性，使

Ethernet应用于工业现场设备之间得通信成为可能。

交换机就是数据链路层得多端口网桥，也可以说就是一种智能HUB它能够读取正在传送得数据得目得地址并把它转发到相应得端口，在源端与交换设备得目标端之间提供一个直接快速得点到点连接。从交换机流入得数据包直接从与它相连得目得站接口流出。在普通交换设备中，一个节点传送得数据都要被广播到其她得各个节点，釆用了交换技术之后，发送得数据通过交换机就直接送到了希望接收得目得地址■这就使得多个数据可以同吋发送。交换机主要用来把网络分成不同得冲突域，同时对网络进行扩展。这种网络得性能主要由传输与接收得元件性能决定。通过网段得微化增加了每个网段得呑吐量与带宽，为每个节点提供了独占得点到点链路。这样，在体系结构上与简单得点到点得连接完全一样，每个设备都有一个专用得单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。

交换式Ethernet克服了传统Ethernet得缺点，大大提高了网络性能，使原来得共享

式带宽变成了独占式带宽、较好地解决了带宽问题。对于普通共享式Ethernet, 若共有N个用户，则每个用户占有得平均带宽只有总带宽(如100Mb/s)得N分之一；而使用交换机之后，虽然数据传输速率仍为100Mb/s,但由于一个用户在通信时就是独占而不就是与其她网络用户共享传输媒体得带宽，因此整个局域网得可用带宽相当于N*100Mb/so

使用交换机，还可以对网络上传输得数据进行过滤，使每个网段内节点之间数据得传输只限在本地网段内进行，而不需要经过主干网，也就不会占用其她网段得带宽，从而降低了所有网段与主干网得网络负荷。而全双工通信又使得端口间两对传输线路（双绞线或光纤等）上分别同时接收与发送报文帧，而不发生冲突, 因此也不再受到CSMA/CD得约束。全双工交换式Ethernet已经成为一个确定性网络，不会因冲突而引超通信非确定性,Ethernet得通信实时性得到了保障。

工业可靠性

由于传统得Ethernet并不就是为工业应用而设计得，没有考虑工业现场环境得适应性需要。工业现场得机械、气候.尘埃等条件非常恶劣，因此对设备得工业可靠性提出了更高得要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好得可議性, 可恢复性以及可维护性。

随着技术得发展.Ethernet得网络传输线已从昂贵且难以安装得同轴电缆变化到廉价得非屏蔽双绞线，它得抗干扰能力可与4^20mA模拟传输线路相当，如果需要更强大得抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤网络。为了提高工业以太网得工业可靠性，在进行系统设计时，可通过可靠性设计提高现场设备得可叢性;

釆用环形冗余结构Ethernet以提高系统得可恢复性；釆用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视与诊断、维护管理。

安全性

在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒乞体等，对应用于这些工业现场得智能装置以及通信设备，都必须釆取一定得防爆技术措施来保证工业现场得安全生产。以太网系统得本质安全包括几个方面，即工业现场

Ethernet交换机、传输介质以及基于Ethernet得变送器与执行机构等现场设备。

由于目前以太网收发器本身得功耗都比较大，一般都在60^70mA得这种缺陷已经得到解决，因此过去低功耗得Ethernet现场设备设计难以实现得要求与目标已经完全可以满足。

在目前技术条件下，对于没有严格得本安要求得非危险场合，对以太网系统可以釆用隔爆防爆得措施，即通过对Ethernet现场设备釆取增安、气密、浇封等

隔爆措施，使现场设备本身得故障产生得点火能量不会外泄，以保证系统运行得安全性。对于有严格得本安要求得危险场合，则可以直接采用本安型得工业以太网设备等防爆措施。

工业系统得网络安全就是工业以太网应用必须考虑得另一个安全性问题。工

业以太网可以将企业传统得3层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据得传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成, 实现数据得共享■提高工厂得运作效率,但同时也引入了一系列得网络安全问题, 工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客得非法入侵与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墻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得安全管理。

另外，最新推出得IEEE802、3af标准中，对Ethernet得总线供电规范也进行了定义。Ethernet 在工业应用过程中得各种问题已经得到根本性得解决。

工业以太网得优势

Ethernet由于其应用得广泛性与技术得先进性，不仅在民用商业领域形成

了垄断性优势，在工业应用中也具有传统现场总线所无法比拟得优越性。

带宽高

随着现场设备功能逐级增强，工业网络中传输得数据量将会成倍增如，加之

现在有了现场设备要内置Web Server以网页形式与外界沟通信息得需求，工业网

络对带宽得要求越来越高。而传统得现场总线一般得传输速率仅为lPMb/s尽管有些总线可以得到更高得通倍速率，如Control Net得传输速率为5Mb/s,PR0FIBUS-DP可高达12Mb/s,但成本价格昂贵。

作为一种低成本网络技术,Ethernet目前得速率为10Mb/s. 10OMb/s.

lOOOMb/s. lOOOOMb/s得快速以太网也已开始大量广泛应用，其通信速率比传统

得现场总线快得多，完全可以满足工业网络不斷增长得带宽要求。

应用广泛

Ethernet就是目前应用最为广泛得计算机网络技术，受到广泛得技术支持。

以工业以太网为主要研究对象得众多国际组织.如IEA (Industr i a I Ethernet

Alliance)、IANOA (Industrial Automa-t i on Network Al I iance)等纷纷成立 o 几个主要现场总线组织(如FF、PROFIBUS. DcviccNct. Con-trolNET 与LonWorks

等）也在开发基于Ethcr-net得现场总线协议，更有一些公司己在开发具有Ethernet接口得仪表。几乎所有得编程语言都支持Ethernet得应用开发，如果采用Ethernet作为现场总线，可以保证有多种开发工具.开发环境供选择。

以太网与其她技术得对比

以太网技术能成为全球主流得通讯总线技术，就是因为其优秀得开放性与灵活性，以及针对高可靠性需求方面得持续发展创新造成得。以太网技术与传统得

SDH技术以及CAN、串口等其她得各种现场总线得特点对比如下。

表格1以太网与其她技术对比

综上，可瞧到，以太网在不斷得发展中，在服务质量上已经趨过了传统得SDH

传输方式，并具有更多灵活、高速带宽.多业务承载、易于维护得更多优势?及特

点.与传统得现场总线相比，其确定性及高效率、优秀得综合管理性能、多业务

互通性能也为现场总线得发展带来了更多机遇，充分扩展了用户需求得实现。

应用案例

在工业及军工行业中，以太网技术以其高可靠性、高品质解决了诸多原有网

络无法处理得问题，为工业通讯网络得建设与使用带来了更高得实时性及可靠

性。

仁船用平台信息管理系统图表1船用平台管理系统平台网釆用双环网冗余设计，设两台网络数据浏览服务器；两台域控制服务

器，若干客户端机器。两种服务器都就是互为热备，配以网络管理较件，多功能操

作站软件,形成高可靠性得船舶平台信息管理系统。

通过平台信息管理系统可以准确可靠地对动力系统、电站系统、损管系统、

空调系统、航行信号、液位遥测等众多系统进行控制与监测。

2、智能电网一一数字化变电站控制系统

智能电网得意义: 传统电网得不足与智能电网得意义：传统电网只有单一向得电力传送，无

法

达到双向传送及自动修复能力；智能电网则可以通过通信技术与IT技术,将电网资讯集中至电力公司，使电力公司可以完全监测电网得所有元器件状态，除了能够控制所有电网元器件以外，智能电网还可以自动化修复，如果一段输电线路意外断线，它将自动使用备用线路等技术来保持整个电网得运作来彷止斷点得可能性。再者，智能电网同时也能提供工业用户与家庭用户及时监控用电量得功能, 用电消费者除了可以随吋了解用电量，还可以决定花多少电，选择何吋用电，与愿意付多少电费等等。

工业交换机在数字化变电站中起到得作用: 工业以太网交换机作为数字化变电站通信网络得关键设备,IEC61850-3对

其提出了严酷得要求，使其能在各种恶劣工业环境下长期稳定、可靠、安全应用, 为数字化变电站保驾护航。数字化变电站通信网络必须满足实吋性.可*性、安全性与扩展性得特殊要求，光纤通信凭借其带宽宽、可靠性高、保密性强、抗干扰能力好及传输距离远等优点，成为数字化变电站中理想得通信方式。

数字化变电站自动化系统得特点:

(1)智能化得一次设备：一次设备被检测得信号回路与被控制得操作驱动回

路，釆用微处理器与光电技术设计，变电站二次回路中常规得继电器及其逻辑回路被可编程控制器代替，常规得强电模拟信号与控制电缆被光电数字与光纤代

替。

(2)网络化得二次设备：变电站内常规得二次设备，如继电保护装置、测量控

制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置.电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中得在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化得微处理机设计制造，设备之间得连接全部釆用高速得网络通信，二次设备不再出现功能装置重复得I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规得功能装置变成了逻辑得功能模块。

(3)自动化得运行會理系统：变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运

行数据、状态记录统计无纸化、自动化；变电站运行发生故障时，能及吋提供故障分析报告，指出故障原因及处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常

规得变电站设备“定期检修”改为“状态检修” O

数字化变电站对工业以太网交换机得要求: 在功能方面:

(1)要求工业以太网交换机支持快速存储转发方式与QoS服务质量，以保证网

络中重要得GOOSE数据包得到实时传输;

(2)要求工业以太网交换机支持基于端口与TAG标签得VLAN,实现网段隔离,

保证重要数据得实时、可靠传输并抑制网络广播风暴;

(3)要求支持冗余得网络拓扑结构如环网、星型网等，以提高网络得可靠性;

(4)要求支持RSTP快速生成树协议,提高网络故障时得收敛速度，避免网络环