《電子技術(shù)應(yīng)用》
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工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計的四個基本原則

2020-10-21
來源:中國工控網(wǎng)

  工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點,已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。

  近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。

  以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域,其技術(shù)優(yōu)勢非常明顯。

  工業(yè)以太網(wǎng)制造現(xiàn)在信息的強大性跟控制的快捷性,能夠?qū)崿F(xiàn)快速的串聯(lián)跟控制,為現(xiàn)代工業(yè)制造實現(xiàn)真正意義上的“E網(wǎng)到底”奠定了良好的基礎(chǔ)。

  工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案,也是當(dāng)前現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。工業(yè)化的新翹楚就由此誕生。

  評估工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù),大概來分應(yīng)該就是以下四點:

  (一)通信確定性與實時性

  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時刷新。由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD方式,網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時,網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求,故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難 以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時通信的實時性要求,一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。

  工業(yè)以太網(wǎng)采取了以下措施使得該問題基本得到解決:

  采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡(luò)帶寬

  以太網(wǎng)的通信速率從10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下,通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小,即網(wǎng)絡(luò)碰撞機率大大下降,從而提高其實時性。

  采用全雙工交換式以太網(wǎng)

  用交換技術(shù)替代原有的總線型CSMA/CD技術(shù),避免了由于多個站點共享并競爭信道導(dǎo)致發(fā)生的碰撞,減少了信道帶寬的浪費,同時還可以實現(xiàn)全雙工通信,提高信道的利用率。

  降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同,每個結(jié)點傳送的實時數(shù)據(jù)量很少,一般為幾個位或幾個字節(jié),而且突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生,因此可以通過限制網(wǎng)段站點數(shù)目,降低網(wǎng)絡(luò)流量,進一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性。

  應(yīng)用報文優(yōu)先級技術(shù)

  在智能交換機或集線器中,通過設(shè)計報文的優(yōu)先級來提高傳輸?shù)膶崟r性。

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  在工業(yè)生產(chǎn)過程中,很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等,對應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設(shè)備,都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

  在目前技術(shù)條件下,對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆、防爆的措施比較可行,即通過對以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施,使現(xiàn)場設(shè)備本身的故 障產(chǎn)生的點火能量不外泄,以保證系統(tǒng)運行的安全性。對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險場合,則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。

  工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層,合成一體,使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實時性更高,并可與Internet無縫集成,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,提高工廠的運作效率。

  但同時也引人了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全向題,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

  一般情況下,可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進行隔離,還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

  (三)穩(wěn)定性與可靠性

  傳統(tǒng)的以太網(wǎng)并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的,沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,因此對設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護性。

  為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題,美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann,Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機產(chǎn)品,安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上,并有冗余電源供電,接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。

  此外,在實際應(yīng)用中,主干網(wǎng)可采用光纖傳輸,現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線,對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。

 ?。ㄋ模┛偩€供電問題

  總線供電(或稱總線饋電)是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號,還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。對于現(xiàn)場設(shè)備供電可以采取以下方法:

  在目前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范,將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上,在現(xiàn)場設(shè)備端再將這兩路信號分離開來。

  不改變目前物理層的結(jié)構(gòu),而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)備提供電源。


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