工业以太网的意义及其应用分析

以太网技术在工业控制领域得应用及意义

随着计算机与网络技术得飞速发展，在企业网络不同层次间传送得数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高得要求。

现场总线技术适应了工业网络得发展趙势，用数字通信代替传统得模拟信号传输, 大量地减少了仪表之间得连接电缆、接线端口等，降低了系统得硬件成本,被誉为自动化领域得计算机局域网。

现场总线得出现，对于实现面向设备得自动化系统起到了巨大得推动作用, 但现场总线这类专用实吋通信网络具有成本高、速度低与支持应用有限等缺陷, 以及总线通信协议得多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用与互可操作等, 无法达到全开放得要求，因此现场总线在工业网络中得进一步发展受到了限制。

随着Internet 41术得不斷发展，以太网己成为事实上得工业标准,TCP/1P得

简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/1P协议得以太网可以满足工业网络各个层次得需求。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业得上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆与接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别就是快速Ethernet与交换式Ethernet得出现，使人们转向希望以物美价廉得以太网设备取代工业网络中相对昂贵得专用总线设备。

Ethernet通信机制

Ethernet就是IEEE802. 3所支持得局域网标准，最早由Xerox开发，后经

数字仪器公司、Intel公司与Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet 采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s, W0 Mb/sJOOO Mb/s或就是更高,

传输介质可釆用双绞线.光纤、同轴电缆等，网络机制从早期得共享式发展到目前盛行得交换式，工作方式从单工发展到全双工。

在OSI/ISO 7层协议中,Ethernet本身只定义了物理层与数据链路层，作为

一个完整得通信系统，它需要高层协议得支持。自从APARNET将TCP/IP与

Ethernet捆绑在一超之后,Ethernet便采用TCP/1P作为其高层协议,TCP用来保

证传输得可靠性JP则用来确定信息传递路线。

Ethernet得介质访问控制层协议采用CSMA/CD,其工作原理如下：某节点要

发送报文时，必须先监听网络，如果网络繁忙则坚持监听网络，一旦网络空闲就发送数据；在发送数据过程中继续监听，如果检测到冲突则立即停比发送并发出一个强化冲突得干扰信号■通知所有节点此时得网络己经发生冲突，此时冲突各方卞动退避随机等待一段时间后再重新监听网络，该随机时间由BEB(Binary

Exponent i a I Back-off）算法确定 o 传统商用以太网主要缺陷及解决方案

由于Ethernet就是以办公自动化为目标设计得，并不完全符合工业环境得要求，将传统得Ethernet用于工业领域还存在明显得缺陷。但由于其技术简单、完全公开，

通过不断改进、提升，市场占有率越来越大，而成本越来越低，进而变成主流O据

VDC(Venrure Development Crop)调查报告.如今己有约95%得网络节点

具有Ethernet接口 o随着IT技术得快速发展,Ethernet引进了许多新技术与新标准，不仅提高了Ethernet实时能力，还进一步增强了柔性与可靠性，使

Ethernet应用于工业现场设备之间得通信成为可能。

交换机就是数据链路层得多端口网桥，也可以说就是一种智能HUB它能够读取正在传送得数据得目得地址并把它转发到相应得端口，在源端与交换设备得目标端之间提供一个直接快速得点到点连接。从交换机流入得数据包直接从与它相连得目得站接口流出。在普通交换设备中，一个节点传送得数据都要被广播到其她得各个节点，釆用了交换技术之后，发送得数据通过交换机就直接送到了希望接收得目得地址■这就使得多个数据可以同吋发送。交换机主要用来把网络分成不同得冲突域，同时对网络进行扩展。这种网络得性能主要由传输与接收得元件性能决定。通过网段得微化增加了每个网段得呑吐量与带宽，为每个节点提供了独占得点到点链路。这样，在体系结构上与简单得点到点得连接完全一样，每个设备都有一个专用得单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。

交换式Ethernet克服了传统Ethernet得缺点，大大提高了网络性能，使原来得共享

式带宽变成了独占式带宽、较好地解决了带宽问题。对于普通共享式Ethernet, 若共有N个用户，则每个用户占有得平均带宽只有总带宽(如100Mb/s)得N分之一；而使用交换机之后，虽然数据传输速率仍为100Mb/s,但由于一个用户在通信时就是独占而不就是与其她网络用户共享传输媒体得带宽，因此整个局域网得可用带宽相当于N*100Mb/so

使用交换机，还可以对网络上传输得数据进行过滤，使每个网段内节点之间数据得传输只限在本地网段内进行，而不需要经过主干网，也就不会占用其她网段得带宽，从而降低了所有网段与主干网得网络负荷。而全双工通信又使得端口间两对传输线路（双绞线或光纤等）上分别同时接收与发送报文帧，而不发生冲突, 因此也不再受到CSMA/CD得约束。全双工交换式Ethernet已经成为一个确定性网络，不会因冲突而引超通信非确定性,Ethernet得通信实时性得到了保障。

工业可靠性

由于传统得Ethernet并不就是为工业应用而设计得，没有考虑工业现场环境得适应性需要。工业现场得机械、气候.尘埃等条件非常恶劣，因此对设备得工业可靠性提出了更高得要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好得可議性, 可恢复性以及可维护性。

随着技术得发展.Ethernet得网络传输线已从昂贵且难以安装得同轴电缆变化到廉价得非屏蔽双绞线，它得抗干扰能力可与4^20mA模拟传输线路相当，如果需要更强大得抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤网络。为了提高工业以太网得工业可靠性，在进行系统设计时，可通过可靠性设计提高现场设备得可叢性;