以太网在工业自动化领域的现状和发展

课程论文课程名称_工业自动化专题学生学院__自动化学院___________专业班级__1______学号__________学生姓名____________指导教师______________2013年6月24日以太网在工业自动化领域的现状和发展摘要：随着计算机技术和自动控制技术的不断发展，自动控制系统的智能化不断提升。一个控制系统离不开信息的传输，通过信息的传输，才能准确的自动地控制系统完美运行。以太网（Ethernet）开放性好，价额便宜，目前在工业控制领域已大量应用。把以太网技术应用于工业控制，形成工业以太网技术。关键词：计算机技术、自动控制技术、以太网、工业以太网1前言在现代企业信息系统中，信息网络在两个技术方向上发生着迅速的变化。一个是用于企业高层生产管理和市场经营管理的以太网技术；另外一个是企业底层生产过程控制盒信息交换的现场总线（Fieldbus）。上述两种技术各有优势。当前的技术发展趋势是更多地将以太网的各种协议应用于企业生产过程控制领域中，形成了适用于复杂工业现场应用的网络------工业以太网。【4】2以太网以太网几十是分组交换局域网（LocalAreaNetworks，LAN）技术，是目前最为流行的局域网技术，几乎所有企业和个人都用以太网技术构建局域网。【2】2.1以太网发展以太网技术发展很快，最早的IEEE10BASE-----5规范采用同轴电缆连接局域网上计算机，以共享的方式工作再10Mbit/s的速率上，但在20世纪80年代末就开始应用双绞线以太网。在此后的十几年时间内，以太网工作速率有10Mbit/s发展到100Mbit/s的快速以太网，1000Mbit/s千兆以太网，并在2002年推出了万兆以太网，传输介质由早期的同轴电缆发展到双绞线和光纤，介质访问由共享式为主发展到以交换式为主，应用范围也由局域网应用发展到城域网络范围。【1】2.2以太网的优点以太网是当今最通用、应用最广泛的局域网络技术，具有开放性好、价格低廉、支持多种传输介质、传输速率高、易于组网应用等诸多优点，并易于和TCP/IP协议结合，因此可以作为一种理想的工业通讯网络。【2】2.3以太网在工业自动化领域的发展近年来,将以太网应用到工业自动化领域的研究再次兴起,主要是以太网技术的发展使得阻碍以太网在工业环境中应用的难题逐步得到解决。主要表现在以下方面:80213标准已相继把以太网速度从原始的10Mbps提高到100Mbps以至到今天的1000Mbps,而且以太网也越来越和交换技术相结合,足够的带宽和交换式集线器的应用解决了以太网的不确定问题,以太网有能力满足实时系统的要求。以太网电缆从难于应用的昂贵的10BASE-5发展到细缆10BASE-2和现在常用的双绞线10BASE-T以及光纤。抗干扰能力强的双绞线和光纤的应用提高了以太网运行于工厂环境的能力。随着以太网的实时性、稳定性和抗干扰性问题的逐步解决,许多大的厂商投身到工业以太网的开发研制浪潮中。但产品基本处于I/O集中器的水平,实现了I/O通信控制器、PC-BASED控制器、PLC之间以及工作站之间的互连。将以太网应用到现场总线的水平还有许多问题要解决,许多厂商仍致力于不断的探索之中。【5--8】3工业以太网工业以太网技术是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。今年来，工业以太网的快速发展，得益于两个方面的原因：一方面，由于工业自动化系统不断向分散化，智能化的实时控制方面发展，通信成为了关键技术，工业系统对统一的通信协议和网络的要求日益迫切；另一方面，INTERNRNT/INTRANET等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面无缝的信息集成，并提供一个开放的基础架构。【2】3.1工业以太网简介工业以太网源于以太网而又不同于普通以太网。互联网及普通计算机网络采用的以太网技术原本并不适应控制网络和工业环境的应用需要，通过对普通以太网技术进行通信实时性改进，工业应用环境应用性的改造，并添加了一些控制应用功能后，形成工业以太网技术主体。工业以太网要在继承和部分继承以太网原有核心技术的基础上，应对适应工业环境性、通信实时性、时间发布、各节点间的时间同步、网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决方案，并添加控制应用功能，还要针对某些特殊的工业应用场合提出的网络供电、本安防爆等要求给出解决方案。以太网和互联网原有的核心技术是工业以太网的重要基础，而对以太网实行环境适应性、通信实时性等相关改造、扩展的部分，成为工业以太网的特色技术。目前工业以太网的代表技术有：FF中高速网段HSE、PROFIBUS的上层网段PROFINET、EtherNet/IP和Modbus/TCP。【2】3.1工业以太网的优势和存在问题工业以太网是基于TCP/IP的以太网是一种标准开放式的网络,由其组成的系统兼容性和互操作性好,资源共享能力强,可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享;数据的传输距离长、传输速率高;易与Internet连接,低成本、易组网,与计算机、服务器的接口十分方便,受到了广泛的技术支持。工业以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD),无法保证数据传输的实时性要求,是一种非确定性的网络系统;安全可靠性问题,以太网采用超时重发机制,单点的故障容易扩散,造成整个网络系统的瘫痪;对工业环境的适应能力问题,目前工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力等都是值得关注的问题,很难适应环境恶劣的工业现场;本质安全问题,在存在易燃、易爆、有毒等环境的工业现场必须要采用安全防爆技术;总线供电问题。在环境恶劣危险场合,总线供电具有十分重要的意义。【9--11】3.2工业以太网技术的发展现状随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：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控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，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。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信)，或碰撞机率大大降低(半双工)，因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。【2】【4】2.稳定性与可靠性Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等)，故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。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微系统公司和德国Hirschmann、JetterAG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。台湾四零四科技(MoxaTechnologies)在2002年6月推出工业以太网产品—MOXAEtherDeviceServer(工业以太网设备服务器)，特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备(如PLC、HMI、DCS系统等)。最近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。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绞线，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靠性。【2】【4】3.3工业以太网在控制领域应用现状工业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的“自动化孤岛”问题，但从目前的发展看，工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式。1、混合EtherNet/Fieldbus的网络结构这种结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场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合，但以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不成熟，而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统。因此，在企业信息层采用以太网，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信息交换。【22】2、基于Web的网络监控平台嵌人式以太网是最近网络应用热点，就是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通，从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。在企业内部，可以利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。实现的最简单办法就是采用独立的以太网控制器，连接具有TCP/IP界面的控制主机以及具有RS-232或RS-4.85接口的现场设备。以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁。3.4工业以太网的发展前景据美国权威调查机构ARC（AutomationResearchCompany）报告指出，今后EtherNet不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，EtherNet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC（VentureDevelopmentCorp.）调查报告也指出，EtherNet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2000年的11%增加到2005年的23%。由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。【29】可见，在未来的工控现场，工业以太网必有举足轻重的作用。---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------参考文献：[1]黄勤，李楠，微型计算机控制技术[M].1版，北京：机械工业出