工業(yè)以太網(wǎng)的意義及其應(yīng)用分析(已修改)
2025-08-17 06:04 本頁面
【正文】 頁眉內(nèi)容以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用及意義隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同層次間傳送的數(shù)據(jù)信息己變得越來越復(fù)雜，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在開放性、互連性、帶寬等方面提出了更高的要求。現(xiàn)場總線技術(shù)適應(yīng)了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，用數(shù)字通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號傳輸，大量地減少了儀表之間的連接電纜、接線端口等，降低了系統(tǒng)的硬件成本，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，對于實現(xiàn)面向設(shè)備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用，但現(xiàn)場總線這類專用實時通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高、速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，以及總線通信協(xié)議的多樣性使得不同總線產(chǎn)品不能直接互連、互用和互可操作等，無法達(dá)到全開放的要求，因此現(xiàn)場總線在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)一步發(fā)展受到了限制。隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)己成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，TCP/IP的簡單實用已為廣大用戶所接受，基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各個層次的需求。目前不僅在辦公自動化領(lǐng)域內(nèi)，而且在各個企業(yè)的上層網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)。由于它技術(shù)成熟，連接電纜和接口設(shè)備價格較低，帶寬也在飛速增加，特別是快速Ethernet與交換式Ethernet的出現(xiàn)，使人們轉(zhuǎn)向希望以物美價廉的以太網(wǎng)設(shè)備取代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中相對昂貴的專用總線設(shè)備。Ethernet通信機制Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最早由Xerox開發(fā)，后經(jīng)數(shù)字儀器公司、Intel公司和Xerox聯(lián)合擴展，成為Ethernet標(biāo)準(zhǔn)。Ethernet采用星形或總線形結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、光纖、同軸電纜等，網(wǎng)絡(luò)機制從早期的共享式發(fā)展到目前盛行的交換式，工作方式從單工發(fā)展到全雙工。在OSI/ISO 7層協(xié)議中，Ethernet本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，作為一個完整的通信系統(tǒng)，它需要高層協(xié)議的支持。自從APARNET將TCP/IP和Ethernet捆綁在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作為其高層協(xié)議，TCP用來保證傳輸?shù)目煽啃裕琁P則用來確定信息傳遞路線。Ethernet的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議采用CSMA/CD，其工作原理如下：某節(jié)點要發(fā)送報文時，必須先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)繁忙則堅持監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)空閑就發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中繼續(xù)監(jiān)聽，如果檢測到?jīng)_突則立即停比發(fā)送并發(fā)出一個強化沖突的干擾信號，通知所有節(jié)點此時的網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)發(fā)生沖突，此時沖突各方卞動退避隨機等待一段時間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，該隨機時間由BEB(Binary Exponential Backoff)算法確定。傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)主要缺陷及解決方案由于Ethernet是以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境的要求，將傳統(tǒng)的Ethernet用于工業(yè)領(lǐng)域還存在明顯的缺陷。但由于其技術(shù)簡單、完全公開，通過不斷改進(jìn)、提升，市場占有率越來越大，而成本越來越低，進(jìn)而變成主流。據(jù)VDC(Venrure Development Crop)調(diào)查報告，如今己有約95%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有Ethernet接口。隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展，Ethernet引進(jìn)了許多新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)，不僅提高了Ethernet實時能力，還進(jìn)一步增強了柔性和可靠性，使Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間的通信成為可能。交換機是數(shù)據(jù)鏈路層的多端口網(wǎng)橋，也可以說是一種智能HUB它能夠讀取正在傳送的數(shù)據(jù)的目的地址并把它轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口，在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供一個直接快速的點到點連接。從交換機流入的數(shù)據(jù)包直接從和它相連的目的站接口流出。在普通交換設(shè)備中，一個節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)都要被廣播到其他的各個節(jié)點，采用了交換技術(shù)之后，發(fā)送的數(shù)據(jù)通過交換機就直接送到了希望接收的目的地址，這就使得多個數(shù)據(jù)可以同時發(fā)送。交換機主要用來把網(wǎng)絡(luò)分成不同的沖突域，同時對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴展。這種網(wǎng)絡(luò)的性能主要由傳輸和接收的元件性能決定。通過網(wǎng)段的微化增加了每個網(wǎng)段的吞吐量和帶寬，為每個節(jié)點提供了獨占的點到點鏈路。這樣，在體系結(jié)構(gòu)上和簡單的點到點的連接完全一樣，每個設(shè)備都有一個專用的單獨信道連接到另一個設(shè)備，因此不需要競爭底層傳輸信道。交換式Ethernet克服了傳統(tǒng)Ethernet的缺點，大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能。對于普通共享式Ethernet，若共有N個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(如100Mb/s)的N分之一；而使用交換機之后，雖然數(shù)據(jù)傳輸速率仍為100Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此整個局域網(wǎng)的可用帶寬相當(dāng)于N*100Mb/s。使用交換機，還可以對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需要經(jīng)過主干網(wǎng)，也就不會占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。而全雙工通信又使得端口間兩對傳輸線路（雙絞線或光纖等）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，而不發(fā)生沖突，因此也不再受到CSMA/CD的約束。全雙工交換式Ethernet已經(jīng)成為一個確定性網(wǎng)絡(luò)，不會因沖突而引起通信非確定性，Ethernet的通信實時性得到了保障。工業(yè)可靠性由于傳統(tǒng)的Ethernet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。工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，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)性以及可維護性。隨著技術(shù)的發(fā)展，Ethernet的網(wǎng)絡(luò)傳輸線已從昂貴且難以安裝的同軸電纜變化到廉價的非屏蔽雙絞線，它的抗干擾能力可與4~20mA模擬傳輸線路相當(dāng)，如果需要更強大的抗干擾能力可以采用屏蔽雙絞線或光纖網(wǎng)絡(luò)。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)可靠性，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，可通過可靠性設(shè)計提高現(xiàn)場設(shè)備的可靠性；采用環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)Et
規(guī)章制度相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1