先进的工业以太网

作者：赫思曼电子（上海）有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 本文介绍了工业以太网的先进性及发展趋势。工业以太网为用户提供了许多优势，诸如更高的效率、更多的功能和更高的适应性，目前其主要使用在管理层和控制层。伴随着无线网络技术的发展和更高的网络带宽，工业以太网将会在工业环境中日益普及。 随着时间的推移，工业以太网已经渐渐发展进入全球自动化的标准通信技术之列。虽然现场总线类似 Profibus、 Modbus 和ControlNet仍然随处可见，但他们的重要性随着工业以太网的普及正在快速地降低。工业以太网为用户提供的优势是显而易见的：更高的效率、更多的功能和更高的适应性。这可以使得从管理级到现场级的数据通信采用统一的方式，反之亦然。没有了接口互不兼容的问题，就可以在整个公司网络中使用基于web标准的工具。 目前工业以太网最主要的使用在管理层和控制层。并且藉由特殊的实时以太网技术，在运动控制应用中，可以满足响应时间少于1ms的应用要求。例如CIPsync, ProfiNet IRT 和 ETHERNET Powerlink都已实现了此类应用，因此实时性的问题可以被认为已经解决了。安全问题的状况也是相似的，基本问题是一个基于以太网传输的适当的安全协议，像是基于Profinet的 Profisafe 、基于EtherNet/IP的CIP Safety都即将投入实际应用。 工业以太网的防爆保护 工业以太网已经被广泛地应用在工厂自动化中，而在过程控制领域, 目前亟待解决的问题就是防爆保护。现在已经有支持Ex-Zone 2的交换机。 然而，实现Ex-Zone 1的要求才是以太网深入进现场层的关键。 昂贵的机柜已经不被用户看好, 用户需要的是所谓本质安全的交换机。在保证以太网高速的同时，兼具本质安全的特性是这项技术的挑战所在。或许，第一台用双绞线连接的本质安全的交换机面世，还需要一段时间。但是，一旦这个技术得以实现，工业以太网在过程自动化领域中将扮演更加举足轻重的角色。 未来网络拓扑结构 在总线系统中，用户习惯把现场设备通过菊花链连接。因此，自动化厂商现在生产的以太网设备都兼容地支持菊花链技术，或者说，在现场设备上安装2个交换端口。但对比使用独立的工业以太网交换机，其交换成本却随着设备数量的增加而增加。另一个劣势是碰到流量突发时，以菊花链式连接的交换机吞吐量和带宽会受到限制，因为所有的用户不得不通过一条共同的线缆通信。环形连接的重要优势在于一方面减低了布线成本，另一方面能够提高链路可靠性，举例来说，当一处不能正常工作时，通信不受影响。因此必须根据应用和需求来决定到底哪种方式才是合适的。 让交换机学习自动化语言 大型的自动化厂商使用自己的基于以太网的应用协议，类似于EtherNet/IP, Profinet 或Modbus/TCP。这些协议都支持标准的TCP/IP，所以这类应用中，标准的工业以太网交换机也可以使用。SNMP协议已被广泛使用于商用环境中，用于交换机的配置和诊断。然而，自动化中使用的配置工具不支持SNMP协议，因此很难用来配置相应的交换机。所以赫思曼公司开始让交换机学习自动化的语言，将来使用PLC、驱动设备或I/O来配置交换机都会成为可能。对用户来说最大的益处是可以用熟悉的自动化工具配置网络了，并且一张完整的材料单也可以被轻松地创建。 安全增长的重要性 自从工业以太网能够实现从管理级到现场级一致的数据传输，用户就只需要掌握一种网络技术即可，同时，也提高了工作效率。可是，统一的网络结构也因为整体的网络透明度承担了一定的风险。例如：生产线中的机器人的IP地址能被任何工作站操作。因此就必须有一套明确的规则来定义通讯的时间和对象。当然仅在公司的出口端安置一台防火墙来抵制外部的攻击是远远不够的。导致一个致命的错误甚至停机事故的往往是来自内部的误操作，所以分布式安全体系在自动化领域是非常关键的。因为这样，整个系统或系统部件可以被分割为独立的安全单元，各个安全的单元之间通过定义的规则来通信。 无线网络提供新的应用可能 如今无线网络技术（Wireless LAN（Wireless Local Area Networks））被广泛应用在办公环境中。移动性、灵活性、非常易于安装、低成本，无线通信的这些优点，使得这项技术渐渐被应用于工业环境中。现在WLAN越来越多的成为传统有线网络的一种补充。典型的应用是在生产物流的移动终端上，操作和监控生产线或提供在线数据的快速交换。例如预定数据可以从监控中心直接送到仓库的铲车上。 现在已有不少工业级的WLAN设备面市，它们都基于IEEE 802.11b/g/a/h协议，可以提供约100Mbit/s的数据传输速度。传输距离方面，如果在5GHz频率下使用合适的天线，可以达到20km。赫思曼的无线网络解决方案就能满足这样的需求。将来，扩展的协议IEEE 802.11n将进一步规范WLAN在工业环境中的标准。新的标准可能在明年开始实行，届时数据通信将更可靠，速率也更高，可达640Mbit/s，甚至在无线电通信条件很差的环境中。 工业环境下的无线电网络也会根据WLAN的应用有具体的区分。例如应用在距离70km之上的数据传输WiMAX（IEEE 802.16）或应用于近距离传输的Bluetooth（IEEE 802.15.1）和Zigbee（IEEE 802.15.4）。Zigbee非常有意思，由于其低功率的消耗，所以非常适合传感器间的无线通信。但是，这项技术在工业环境中的广泛应用可能还需要几年时间。 更高的网络带宽的趋势 有线和无线的网络都需要越来越高的网络带宽。在工业环境中，特别是在控制层，快速以太网（100Mbit/s）差不多被默认为当今的主流。但是，在自动化和办公环境中都越来越趋向于千兆以太网（Gigabit Ethernet）。原因可以归结为以下三点：首先，越来越多的现场设备通过以太网连接，随着设备数量的增加带宽需求也增加了。第二，多种服务，例如控制数据，IP电话或IP视频也快速增长，并在同一根的线缆上传输。第三，千兆以太网有十倍于快速以太网的交换能力，许多实时的应用可以在标准的千兆以太网环境中实现。赫思曼已在2007年初推出了万兆的工业级交换机。同无线解决方案面临的问题一样，更高的传输速度意味着高功率的消耗和高成本的芯片。但是，随着芯片成本的降低，千兆以太网将会在工业环境中日益普及。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/9/2010)