工业以太网基础知识简介

由于工业控制市场存在多种现场总线标准并存的现象，且短期内无法统一；从用户应用的角度来看，多种现场总线标准并存会导致在一个具体应用系统中涉及多种不同标准的现场总线设备，需要解决不同标准系统之间的相互连接和相互操作的问题。为了解决该问题，出现了工业以太网技术。

工业以太网是工业环境中一种有效的子网，既适用于管理级又适用于单元级，传输速率为10～100Mbit/s。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。

工业以太网是以太网技术向控制网络延伸的产物，是工业应用环境下信息网络与控制网络的结合。目前对工业以太网没有严格的定义，各家推出的工业以太网在技术上也存在相当大的差距，一般来讲，工业以太网是指技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，在产品设计时，材质的选用、产品的强度以及网络的实时性、可靠性、抗干扰性、安全性等方面均能满足工业现场要求。

1.以太网

以太网进入工业控制领域无论是价格还是技术都具有一定的优势。

1）价格优势：由于信息网络的存在和以太网的大量使用，使其具有价格明显低于控制网络相应软硬件的特点，如通过普通网卡就可将计算机连接到工业以太网络中。

2）技术优势：技术成熟、易于得到、已为许多人掌握，有利于企业网络的信息集成、便于上层网络的连接。

以太网最早来源于Xerox公司于1973年建造的网络系统，是一种总线型局域网，以基带同轴电缆作为传输介质，采用CSMA/CD协议。其核心思想是使用共享的公共传输信道，即遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（Local Area Network，LAN）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：

1）10Base-T以太网：传输速率为10Mbit/s，传输介质是双绞线。

2）100Base以太网：也称快速以太网，传输速率为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T以太网。

3）Gigabit以太网：扩展的以太网协议，传输速率为1Gbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网。

4）10 Gigabit以太网：是一种速度更快的以太网技术，传输速率达到百亿比特每秒，采用光缆作为传输介质。主要用于局域网（LAN）、广域网（WAN）以及城域网（MAN）之间的相互连接。

随着信息技术的发展，信息交换技术涉及领域越来越广，控制网络与普通计算机网络、Internet的联系也越来越密切。控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通信能力的要求，这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。

工业网络与传统的办公室网络相比，有其自己的要求和特点，见表9-8。

表9-8 工业网络与传统办公室网络的比较

可见，以太网要用于工业控制中，在设计与制造时必须充分考虑并满足工业网络应用的需求。以太网技术经过多年的发展，特别是在Internet中的广泛应用，使得其更为成熟，并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。

但作为传统上用于办公室和商业用途的以太网，在引入工业控制领域时，仍然由于以太网的不确定性引起了很大的争议，存在着怎样解决工业控制网络的实时性和可靠性问题。

2.以太网应用于工业现场的关键问题

（1）通信的实时性

以太网采用CSMA/CD的总线访问机制，遇到碰撞时无法保证信息及时发送出去，这种平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求，因此需要有针对这一问题的切实可行的解决方案。(www.xing528.com)

（2）对环境的适应性与可靠性

以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所关注的问题。例如像RJ45一类的连接器，在工业上应用非常容易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好的抗振动、抗疲劳能力；在产品的设计时要考虑各种环境因素，使得参数能满足工业现场的要求。

（3）总线供电

在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网目前没有对网络节点供电作出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10～36V低压供电。

（4）本质安全

工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题，这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。

以太网技术用于工业现场虽然存在上述一些问题，但并不意味着以太网就不能用于现场控制层，事实上以太网在很多对时间要求不是非常苛刻的现场层，已有很多成功应用范例。而且随着以太网技术的发展和标准的进步，以太网在工业环境中应用存在的问题正在逐渐完善和解决，例如，采用专用的工业以太网交换机、定义不同的以太网帧优先等级，使用户所希望的信息能够以最快的速度传递出去；网络采用双绞线电缆、光缆等传输介质，以提高网络的抗干扰能力和可靠性。

事实上，在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太网结合用以太网作为现场总线网络的高速网段，从而使控制网络能与Internet融为一体。

在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，使控制网络无须经过网关转换即可直接与互联网连接，使测控节点也能成为互联网络的节点。在控制器、测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太网通信接口，嵌入TCP/IP协议，嵌入Web Server便可形成支持以太网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。在应用层协议尚未统一的环境下，借助IE等通用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控，也是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案。

3.实时以太网

根据设备应用场合，按照实时性要求将工业自动化系统划分为如下3个范围：

1）信息集成和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求为100ms或更长。

2）绝大多数的工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5～10ms。

3）对于高性能的同步运动控制，特别是在100个节点以下的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求低于1ms，同步传送和抖动小于1μs。

研究表明，工业以太网的响应时间可以满足绝大多数工业过程的控制要求，但对于响应时间小于4ms的应用，工业以太网已不能胜任。为了满足工业控制实时性能的要求，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案，这些方案建立在IEEE802.3标准的基础上，通过对其相关标准的实时扩展，来提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网（Real Time Ethernet，RTE）。

为了规范RTE工作的行为，2003年5月，IEC/SC65C专门成立了WG11实时以太网工作组，负责制定IEC61784-2“基于ISO/IEC8802.3的实时应用系统中工业通信网络行规”国际标准，在该标准中包括Ethernet/IP、PROFINET、P-NET、Interbus、VNET/IP、TCNET、EtherCAT、Ethernet Powerlink、EPA、Modbus/TCP及SERCOS等11种实时以太网行规集。

例如我国制定的“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准”，规定了网络的时间同步精度为8个等级，等级如下：

0—无精度要求；1—时间同步精度<1s；2—时间同步精度<100ms；3—时间同步精度<10ms；4—时间同步精度<1ms；5—时间同步精度<100μs；6—时间同步精度<10μs；7—时间同步精度<1μs。

据美国权威调查机构ARC（Automation Reserch Company）报告，今后Ethernet不仅继续垄断商业计算机网络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控制设备的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场设备总线的基础协议。