工业以太网的特色技术及其应用选择

工业以太网的特色技术及其应用选择

发布时间：2007-05-15

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关键词：工业以太网实时特色技术

编者按：工业以太网成为自动化领域业界的技术热点已有时日，其技术本身尚在发展之中，还没有走向成熟，还存在许多有待解决的问题。究竟什么是工业以太网，它有哪些特色技术，如何应用与选择适合自己需求的工业以太网技术与产品，依然是今天人们所关心的问题。

一什么是工业以太网

工业以太网技术，是以太网或者说是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术原本不是为工业应用环境准备的。经过对工业应用环境适应性的改造，通信实时性改进，并添加了一些控制应用功能后，形成了工业以太网的技术主体。因此，工业以太网是一系列技术的综称。

二工业以太网涉及企业网络的各个层次

企业网络系统按其功能划分，一般称为以下三个层次：企业资源规划层(Enterprise Resource Plan NI ng, ERP)、制造执行层(Manufacturing Excurtion System, MES)和现场控制层(Field Control System，FCS)。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业信息系统。(

见图1)

图中的ERP与MES功能层属于采用以太网技术构成信息网络。这个层次的工业以太网，其核心技术依然是信息网络中原本的以太网以及互联网系列技术。工业以太网在该层次的特色技术是对其实行的工业环境适应性改造。而现场控制层FCS中，基于普通以太网技术的控制网络、实时以太网则属于该层次中工业以太网的特色技术范畴。可以把工业以太网在该层的特色技术看作是一种现场总线技术。除了工业环境适应性改造的内容之外，通信实时性、时间发布与同步、控制应用的功能与规范，则成为工业以太网在该层次的技术核心。

无论是在工业环境下运行的计算机网络，还是基于普通以太网技术的控制网络，以及新兴的实时以太网，均属于工业以太网的范畴。工业以太网技术涉及到企业网络的各个层次。

三工业以太网的特色技术

以太网进入工业应用领域所形成的工业以太网，要在继承或部分继承以太网原有核心技术的基础上，面对环境适应性，通信实时性，时间发布与各节点间的时间同步、网络供电、本安防爆、网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决方案。以太网或互联网原有的核心技术是工业以太网技术的基础，而原有技术的基础上，对其环境适应性，通信实时性等实行相关改进、添加而形成的部分，就是工业以太网的特色技术。

1. 环境适应性

在工业环境下工作的网络要面临比办公室恶劣得多的条件。工业生产中面临的强

电磁辐射、各种机械震动、粉尘、潮湿，野外露天的严寒酷暑、风霜雨雪、地下水中等工作环境。工业以太网要立足于工业应用环境，首先需要应对这些问题带来的困绕。

针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品称之为工业级的产品。防护级

工业产品是工业以太网特色技术的重要体现之一。这些工业级产品专门针对工作温度、湿度、振动、电磁辐射等工业现场环境的不同需要，分别采取了相应的措施。如工业以太网设备的元器件，其工作温度的适应范围一般要求较宽。其元器件的工作温度，一般会选择在-20℃～+70℃或-40℃～+85℃乃至更宽。工业环境下，往往要求采用DIN导轨式安装。办公室使用的RJ45连接器，应用于工业环境太易损坏，连接不可靠。工业环境下的接插件应具有带锁紧机构等抗震动措施。设备壳体与电路板应具有抗电磁干扰、防水防雨、抗雷击等方面防护措施。设备的材质、强度、抗振动、抗疲劳能力等，都是需要考虑的问题。

工业用户因使用办公室商业级交换机而使网络处于故障多发状态，导致生产效率

降低时，认识到了在工业环境中应该采用工业级产品。许多公司开发了针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品。目前市场上典型的工业级的产品有：安装在DIN导轨上的导轨式收发器、集线器、交换机；冗余电源；特殊封装的工业级以太网接插件等。工业以太网交换机的目前的防护等级为IP20 ～IP40。当工业网络更深入地扩展到流程工业等制造业时，其防护等级需要增长至IP67～IP68。目前工业以太网的产品中，这部分产品占有主要的市

场份额。

a. 网络供电

网络传输介质在用于传输数字信号的同时，还为网络节点设备传递工作电源者，被称之为网络供电。在办公室的信息网络中，网络节点设备的供电问题易于解决，网络传输介质只是用于传输信息的数字信号，没有网络供电的需求。而在工业应用场合，许多现场控制设备的位置分散，现场不具备供电条件，或供电受到某些易燃易爆场合的条件限制，因而提出了网络供电的要求。因此网络供电也是适应工业应用环境需要的特色技术之一。有些现场总线，如基金会总线FF等就具备总线供电的能力。

工业以太网目前提出的网络供电方案中，一种是沿用IEE

E802.3af规定的网络供电方式，利用5类双绞线中现有的信号接收与发送这两对线缆，通过供电交换机向网络节点设备供电。也可以利用现有的5类双绞线中的空闲线对向网络节点设备供电。一般工业应用环境下，要求采用柜内低压供电，如直流10～36V，交流8～24V。

b. 本质安全

在一些易燃易爆的危险工业场所应用工业以太网，还必需考虑本安防爆问题。本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火花所需能量的限度之内而采取的措施。这对网络节点设备的功耗，设备所使用的电容、电感等储能元件的参数，以及网络连接部件，提出了许多新的要求。应该说，总线供电、本质安全等问题是以太网进入现场控制层后出现的新技术，属于工业以太网适应工业环境的特色技术范畴，属于开发之中尚未成熟的部分。目前还未见工业以太网有此类系列产品上市。

2. 通信实时性、确定性