工业以太网的发展趋势与前景

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：1.工业以太网与现场总线相结合工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等。

由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：

1.工业以太网与现场总线相结合

工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场总线经过二十多年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：

1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等。

2）使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机。

3）采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组。

4）应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议。

5）兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等。

这方面比较典型的应用如法国施耐德公司推出的“透明工厂”的概念，即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络，并与Web功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。

2.工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋

随着以太网通信速率的提高，以及全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。为此，国际电工委员会（IEC）正着手起草实时以太网标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“863计划”的支持下，开展了EPA技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果：

（1）以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破

针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致地调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术。

1）实时通信技术。采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。

2）总线供电技术。采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。

3）远距离传输技术。采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术，解决了以太网的远距离传输问题。(www.chuimin.cn)

4）网络安全技术。采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。

5）可靠性技术。采用分散结构化设计、EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性。经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。

（2）开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机

开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用。针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括基于以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器、软PLC等成果。

在此基础上开发的基于EPA的分布式网络控制系统在杭州某化工厂的联碱碳化装置上成功应用，该系统自2003年4月投运一直稳定运行至今。

3.发展前景

据美国权威调查机构ARC（Automation Research Company）报告指出，今后以太网不仅继续垄断商业计算机网络通信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总线的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC（Venture Development Corp）调查报告也指出，以太网在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快。

由于以太网有“一网到底”的美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。

目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。

长期以来，有一种意见一直认为以太网不可能进入控制系统现场级，理由是以太网在技术上存在实时性、通信效率、总线供电和本质安全等障碍。现在看来，上述前3个问题已经很好解决，本质安全技术也于2006年内完成了开发工作，所以实时Ethernet还将继续向下延伸。

EtherCAT利用“背板总线”技术开发了用于现场控制柜的E-bus，I/O机箱的第一个模块使用总线耦合器。该耦合器将标准的双绞线或光缆电气信号转换为E-bus信号，I/O模块之间信息通过E-bus传送。E-bus是基于LVDS（Low Voltage Differential Signal，低压差分信号）的信号传输，传输距离为10m。这样一来，以太网帧可以不受影响地传送到I/O输入的端口。从某种意义上讲，以太网已经延伸到现场设备级。

另外，IEEE 1415《用于传感器和执行器的智能转换器接口》标准，它在控制网络和传感器之间定义一个标准接口，通过一种称为管道的简单传递机构，使用以太网传送他们的报文。这种方法简单可行，现场装置保持不变，只需一个专用ASIC的以太网网络接口取代原来的驱动器就可以完成与以太网的连接，从而使网络传感器成为工业以太网系统现场级的数字传感器。

EPA由过程监控级网和现场设备级网构成。现场设备网分置于控制现场，控制现场可划分为若干控制区域，各个控制区域内相关的诸如变送器、执行器和现场控制器等现场设备均通过EPA网络连接在一起，按照组态相互协调工作，从而完成一定的控制功能。

每个控制区域内的EPA子系统由EPA现场控制器、EPA-Hub、EPA变送器和EPA执行器等组成，通过EPA现场设备通信模块可实现相互之间的通信，并可独立完成控制系统中某一部分的测量与控制功能。EPA现场设备通信模块通过EPA现场设备网供电。目前，EPA正在研制用于现场设备通信模块的专用ASIC芯片。

实时以太网的另一个发展趋势是实时通过无线技术进行的延伸。近年来，大量商业领域的无线技术被移植到工厂级应用。无线应用已经成为工业以太网强有力的延伸手段。这是因为在一些条件苛刻的现场会有无法布线的区域。另外，在高速旋转设备和工业机器人等应用中无法使用有线网络，还有一些现场使用无线方案反而可以节省时间、材料及人工。目前，无线方案基于三个无线协议，它们是：IEEE 802.11无线局域网协议，该标准使用CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突防止）技术，工作于2.4GHz频段，其物理层有跳频扩展频谱（FHSS）方式和直接序列扩展频谱（DSSS）方式；IEEE 802.15.1蓝牙协议，它采用高速跳频、短分组及快速确认方式，其载频选用2.45GHz ISM频带；IEEE 802.15.4 Zigbee技术，它是一种近距离、低功耗、低速和低成本的双向无线技术，物理层基于DSSS方式，工作于2.4GHz和868/915MHz频带。我国EPA实时以太网国家标准包括了上述前两种无线通信技术。在EPA标准中规定，通过一个局域网接入点（AP）将IEEE 802.11局域网与EPA网络相连；同时规定，在RFCOMM（基于欧洲电信标准协会ETS 107.10规程的串行线性仿真协议）上采用PPP（点对点协议）的局域网接入方式，将蓝牙无线设备与EPA网连接。

工业以太网的发展趋势与前景

相关推荐