工業(yè)以太網(wǎng)介紹及與普通以太網(wǎng)區別

1.以太網(wǎng)的主要缺陷

在講以太網(wǎng)的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線(xiàn)上傳輸的網(wǎng)絡(luò )。它最早出現在1972，由XeroxPARC所創(chuàng )建。當前以太網(wǎng)采用星型和總線(xiàn)型結構，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統的共享網(wǎng)絡(luò )中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著(zhù)2臺設備同時(shí)發(fā)出信號時(shí)，就會(huì )出現信號見(jiàn)的互相沖突。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以太網(wǎng)規定，在一個(gè)站點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)前，必須先監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )上有沒(méi)有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。如果有則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少沖突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續CSMA，非持續CSMA，P-持續CSMA的算法2。由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標設計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標準的要求，將傳統的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著(zhù)明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò )低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現場(chǎng)總線(xiàn)廠(chǎng)商大開(kāi)了方便之門(mén)，但是，要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷：

1.1 確定性

由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò )上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò )負荷過(guò)大時(shí)，更加明顯。對于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，如果存在著(zhù)大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數據，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中這種從一處到另一處的不確定性，必然會(huì )帶來(lái)系統控制性能的降低。

1.2 實(shí)時(shí)性

在工業(yè)控制系統中,實(shí)時(shí)可定義為系統對某事件的反應時(shí)間的可測性。也就是說(shuō)，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統必須在一個(gè)可以準確預見(jiàn)的時(shí)間范圍內做出反映。然而，工業(yè)上對數據的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴格，往往數據的更新是在數十ms內完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數據，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現掉線(xiàn)，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設備，人身安全事故。

1.3可靠性

由于以太網(wǎng)在設計之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應用出發(fā)的。當它應用到工業(yè)現場(chǎng)，面對惡劣的工況，嚴重的線(xiàn)間干擾等，這些都必然會(huì )引起其可靠性降低。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò )必須具備較好的可靠性，可恢復性，以及可維護性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì )導致應用程序，操作系統，甚至網(wǎng)絡(luò )系統的崩潰和癱瘓。

2.以太網(wǎng)工業(yè)應用解決機制

針對以太網(wǎng)存在的三大缺陷和工業(yè)領(lǐng)域對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的特殊要求，目前已采用多種方法來(lái)改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的要求。下面介紹幾種解決機制：

2.1 交換技術(shù)

為了改善以太網(wǎng)負載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò )擁塞問(wèn)題，可以使用以太網(wǎng)交換機(switch)。它采用將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個(gè)沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來(lái)的沖突問(wèn)題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統的確定性，但該方法成本較高，在分配和緩沖過(guò)程中存在一定的延時(shí)。

2.2 高速以太網(wǎng)

我們知道當網(wǎng)絡(luò )中的負載越大的時(shí)候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。有資料顯示當一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的負菏低于36%時(shí)，基本上不會(huì )發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時(shí)，10M以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過(guò)36%后隨著(zhù)負荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò )的負荷。幸運的是現在以太網(wǎng)已經(jīng)出現通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細致全面的設計及對系統中的網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)的數量和通信流量進(jìn)行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。

2.3 IEEE1588對時(shí)機制

IEEE1588定義了一個(gè)在測量和控制網(wǎng)絡(luò )中，與網(wǎng)絡(luò )交流、本地計算和分配對象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議(PTP)。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達微秒范圍。它使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機制。即使在網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)同步控制信號產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達到的精度仍可滿(mǎn)足要求。這使得它尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統。通過(guò)采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò )控制系統之中。在區域總線(xiàn)中它所達到的精度遠遠超過(guò)了現有各種系統。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。

一個(gè)包括IEEE1588對時(shí)機制的簡(jiǎn)單系統至少包括一個(gè)主時(shí)鐘和多個(gè)從屬時(shí)鐘。如果同時(shí)存在多個(gè)潛在的主時(shí)鐘，那么活動(dòng)的主時(shí)鐘將根據最優(yōu)化的主時(shí)鐘算法決定。所有的時(shí)鐘不斷地與主時(shí)鐘比較時(shí)鐘屬性，如果新時(shí)鐘加入系統或現存的主時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)，則其他時(shí)鐘會(huì )重新決定主時(shí)鐘。如果多個(gè)PTP子系統需要互聯(lián)，則必須由邊界時(shí)鐘來(lái)實(shí)現。邊界時(shí)鐘的某個(gè)端口會(huì )作為從屬端口與子系統相聯(lián)，并且為整個(gè)系統提供時(shí)鐘標準。因此這個(gè)子系統的主時(shí)鐘是整個(gè)系統的原主時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘的其他端口會(huì )作為主端口，通過(guò)邊界時(shí)鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時(shí)鐘的端口對子系統來(lái)說(shuō)是普通時(shí)鐘。

IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò )同步協(xié)議實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達到了通信時(shí)間模式與應用程序執行時(shí)間模式分開(kāi)的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數據傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優(yōu)點(diǎn)是其標準非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，現在已經(jīng)有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。

3.典型工業(yè)以太網(wǎng)

隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及它的80%的市場(chǎng)占有率和現場(chǎng)總線(xiàn)的明顯缺陷，促使工控領(lǐng)域的各大廠(chǎng)商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品且兼容性強的工業(yè)以太網(wǎng)。其中應用最為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)之一是德國西門(mén)子公司研發(fā)的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)。它提供了開(kāi)放的，適用于工業(yè)環(huán)境下各種控制級別的不同的通信系統，這些通信系統均基于國家和國際標準，符合ISO/OSI網(wǎng)絡(luò )參考模型。SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)主要體系結構是由網(wǎng)絡(luò )硬件，網(wǎng)絡(luò )部件，拓撲結構，通行處理器和SIMATIC NET軟件等部分組成。