工业以太网关键技术解析

以太网过去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT领域应用而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，主要是因为：以太网的介质访问控制层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；以太网不能通过信号线向现场设备供电问题。

随着互联网技术的发展与普及推广，以太网传输速率的提高和以太网交换技术的发展，上述影响工业以太网发展及应用的关键问题正在逐渐得到解决。

（一）通信的确定性和实时性

工业控制网络必须满足对实时性的要求，即信号传输要速度快，确定性好。Ethernet过去一直被认为是为IT领域开发的，深用了带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）以及二进制指数退避算法的非确定性网络系统。对于响应时间要求严格的控制过程，使用以太网技术可能由于冲突的产生造成响应时间不确定和信息不能按要求正常传递，这正是阻碍以太网应用于工业现场设备层的原因所在。

随着快速以太网与交换式以太网的发展，为解决以太网的非确定性问题带来了新的契机：首先，Ethernet的通信速率一再提高，从10Mbit/s、100Mbit/s增大到如今的1000Mbit/s、l0Gbit/s，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，网络碰撞概率大大下降，提高了网络的确定性。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。交换机之间通过主干网络进行连接，交换机可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间的数据传输只在本地网段内进行，而不需经过主干网，从而本地数据传输不占其他网段的带宽，降低了所有网段和主干网的网络负荷。最后，采用全双工通信方式。在一个用5类双绞线（光缆）连接的全双工交换式以太网中，其中一对线用来发送数据，另一对线用来接收数据，这样交换式全双工以太网消除了冲突的可能，使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

同时，广大工控专家通过研究发现，通信负荷小于10%时，以太网几乎不发生碰撞，或者说，因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。另一方面，在工业控制网络中，传输的信息多为周期性测量和控制数据，报文小，信息量少，信息流向也具有明显的方向性，即由变送器传向控制器；由控制器传向执行机构。在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中，通信负荷为10Mbit/s的以太网占5%左右，即使有操作员进行信息传送（如设定值的改变，用户应用程序的下载等），其负荷也完全可以保持在10%以下。因此，通过适当的系统设计和流量制技术，以太网完全能用于工业控制网络，事实也正如此。

（二）工业以太网的可靠性和安全性

传统的Ethernet是为办公自动化的领域应用而设计，并没有考虑工业现场环境的需要（如冗余电源供电、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。(www.xing528.com)

随着网络技术的发展，上述问题正迅速得到解决。为了解决网络在工业应用领域和极端条件下稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Phoenix Contact、Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品并安装在标准DIN导轨上，并配有冗余供电，接插件采用牢固的DB-9结构，而在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，对重要的网段还可采用冗余网络技术，以提高网络的抗干扰能力和可靠性。

在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒的气体，应用于这些场合的设备都必须采用一定的防爆措施来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型（如增安、气密、浇封等）和本质安全型。与隔爆技术相比较，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，其关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60～70mA（5V工作电源），低功耗的以太网现场设备难以设计，因此，在目前技术条件下，对以太网系统可采用隔爆防爆的措施，确保现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄，保证运行的安全性。

另外，工业以太网实现了与Internet的无缝集成，实现了工厂信息的垂直集成，但同时也带来了一系列的网络安全问题，包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁问题，对此，一般可采用网关或防火墙等方法，将内部控制网络与外部信息网络系统相隔离，另外，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制来加强网络的安全管理。

（三）总线供电问题

总线供电（或称总线馈电）是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现场设备供电可以采取以下方法。

（1）在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。

（2）不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。