工業以太網在工業自動化系統中應用及前景 1
1、工業以太網技術發展現狀
工業以太網是應用于工業控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容。產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面能滿足工業現場的需要。
EtherNet過去被認為是一種“非確定性”的網絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發的，在工業控制領域只能得到有限應用，這是由于：（1）EtherNet的介質訪問控制（MAC）層協議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業控制的實時性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境要求；（3）在工廠環境中，EtherNet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網不具備本質安全性能；（4）EtherNet不能通過信號線向現場設備供電問題。
隨著互聯網技術的發展與普及推廣，EtherNet傳輸速率的提高和EtherNet交換技術的發展，上述問題在工業以太網中正在迅速得
到解決，并使EtherNet全面應用于工業控制領域成為可能。目前工業以太網技術的發展體現在以下幾個方面：
（一）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。
（二）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。
工業以太網是應用于工業控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容。產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面能滿足工業現場的需要。
EtherNet過去被認為是一種“非確定性”的網絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發的，在工業控制領域只能得到有限應用，這是由于：（1）EtherNet的介質訪問控制（MAC）層協議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業控制的實時性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境要求；（3）在工廠環境中，EtherNet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網不具備本質安全性能；（4）EtherNet不能通過信號線向現場設備供電問題。
隨著互聯網技術的發展與普及推廣，EtherNet傳輸速率的提高和EtherNet交換技術的發展，上述問題在工業以太網中正在迅速得
到解決，并使EtherNet全面應用于工業控制領域成為可能。目前工業以太網技術的發展體現在以下幾個方面：
（一）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。
（二）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。
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