简单的工业以太网设计

简单的工业以太网设计
1概述
随着工业测控要求的不断提高，传输的信息量愈来愈大，要求的网络传输速率越来越高，现场总线简单的协议、较低的通信速率显出其不适应。

另外，基于以太网技术的企业信息网得到广泛应用，在企业管理和经营中起着重要的作用。

管理者除了通过信息网进行企业的管理，也希望通过网络对生产过程进行自动控制，实现管控一体化。

由于现在的现场总线网络系统与在企业信息网中得到广泛应用的以太网技术的不兼容，加之，现场总线测控网数目众多的不兼容的协议标准一直困扰着工业界，人们自然地就提出能否将在局域网和Internet上已取得巨大成功的、成为事实上的通用标准的、有着广泛技术支持的以太网技术延伸至底层的测控网络。

矿井综合自动化系统信息平台其主要任务之一是建立高速的工业以太环网络，解决所有子系统传输物理通道。

综合自动化网络平台的建设应遵循数字化、高速化、智能化、标准化，安全可靠、易扩充升级的原则进行设计。

2工业以太网选型
2.1工业以太网结构选型
当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议，目前还没有统一的应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应产品的有以下凡种主要协议。

1）Modbus TCP/IP
该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP 帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。

这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。

利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况。

施耐德公司已经为Mod-bus注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。

2) SHE
基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范，称HSE（High Speed Ethernet）。

HSE是以太网协议IEEE 802．3，TCP/IP协议族与FF Ill的结合体。

FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与Internet的集成。

HSE 技术的一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将Hl（31.25 kb/s）设备连接100 Mb/s的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥和网关的功能。

网桥功能能够用于连接多个H1总线网段，使同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干涉；网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂
控制网络和信息网络，HSE链接设备不需要为H1子系统作报文解释，而是将来自H1总线网段的报文数据集合起来并且将Hl地址转化为IP地址。

3) EtherNet/IP
Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。

它是由ODVA
（Open DeviceNet Vendors Asso-cation）和ControlNet International两大工业组织推出的最新成员与DeviceNet和ControlNet一样，它们都是基于CIP （Control and Information Proto-Col）协议的网络。

它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式（控制）的实时I/O信息和显式信息（包括用于组态、参数设置、诊断等）的有效传输。

Ethernet/IP采用和DeviceNet以及ControlNet 相同的应用层协议CIP。

因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。

Ethernet/IP采用标准的Ethernet和TCP/IP技术传送CIP通信包，这样通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的Ethernet和
TCP/IP协议，就构成Ethernet/IP协议的体系结构。

本次方案中使用工业以太环网TCP/IP技术作为整个系统的通信标准。

其他的总线结构方式如RS485、CAN、RS232等均通过总线端口转换为工业以太环网信息包，在IP网络上进行传输。

采用工业以太环网技术的优点：
整个宽带传输网彻底突破了低速总线下的技术瓶颈，系统节点容量大大增加，稳定性提高；能在同一平台上运行不同的传输协议，从而建立企业的公共网络平台或者基础构架。

随着煤矿企业的发展，工业以太环网及信息集成越来越重视，各种新技术的应用，可以预见对网络带宽要求越来越高，因此工业以太环网技术具有相当高的数据传输速率和带宽。

支持先进的多主并发通讯模式，系统检测速度快，实时性强；同时支持交互式和开放的数据存储技术；
总之，采用工业以太环网作为交换传输和接入平台的优势十分明显。

2.2工业以太网结构选型
目前工业以太环网拓扑结构主要还是环型和星型，基于安全可靠方面的考虑，各矿工业以太网采用工业以太环网与星型混合结构，如，即：主干网络采用1000M环网进行数据传输，所有子系统采用总线方式就近接入环网节点，对部分需实施自动控制达到无人职守而距离环网节点较远的子系统采用100M星型结构。

3 工业以太网平台特点
系统支持光纤冗余环网工作模式，接节故障不影响整个系统性能，故障自恢复时间短（0.05S），通信更加可靠；所有交换机采用高性能的MOXA模块化千兆交换机，避免网络中部分节点故障，同时满足以后的扩容和升级；
环网核心交换机具有路由功能的卡轨式模块交换机。

核心交换机有相对独立的模块插槽，每个模块插槽能够配置一块引擎模块，引擎模块上的子卡插槽，可以配置不同种类的网络接口卡
平台传输速率高、带宽容量大、传输距离远、抗干扰和雷击能力加强。

为数据、视频、语音三网合一提供了足够的带宽；
整个网管系统可对所有的综合自动化网的网络设备进行实时监控，出现故障实时报警。

在矿信息网与监控网中采用天融信防火墙连接，实现监控网的安全隔离。

采用先进的多主并发通讯模式，系统检测速度快，实时性强。

核心交换机提供OPC协议，支持监控软件的集成。

整个宽带传输网彻底突破了低速总线下的技术瓶颈，系统节点容量大大增加，稳定性提高；
由于以Internet/Intranet/Infranet为整体构架，具有开放的传输接入平台，系统集成能力显著提高，今后矿井各种自动化监测监控系统均可方便就近接入，易于扩展，无须重复布线，节约投资，平台同时支持光纤多模、单模、超五类双绞线传输介质，结构灵活；可方便与局域网企业综合管理信息系统连接，实现信息共享；
支持多种网络拓扑结构和多重冗余方式，如（单）环网冗余、单环双节点冗余、双总线冗余、双环网冗余和环间冗余，本次投标方案采用单环单节点双冗余环网。

环网交换机支持多光口、电口混合连接，支持Web管理，支持SNTP简单网络时间协议，准确记录故障时间。

交换机支持流量控制功能，防止广播风暴；支持端口的优先级划分和VLAN 划分；支持端口和MAC地址的绑定，提高系统安全性。

4 平台网管功能
4.1 报警分类
端口报警、电源报警、网络流向分析、网络流量分析。

可单独为每个设备，端口，电源，风扇/机箱等设定各自状态发送的方式配置IP参数和陷阱目标。

提供端口，设备和VLAN管理功能，配置工具可以配置单独的任何设备和存货清单。

4.2 节点数
可自行配置（25/50/100/250）。

4.3 流量控制
环网交换机支持VLAN、QOS功能，可实现流量控制。

5主要设备功能描述
平台采用重庆院开发的技术先进成熟的高速工业以太环网+现场总线模式构建。

5.1 环网交换机（KJJ103A）
选用国际国内知名MOXA工业以太网交换机为内核，稳定性强，性能指标高。

其单台交换机技术指标如下：
光信号接口：
1）传输方式：全双工TCP/IP传输协议，波长为1310nm的单模光纤；
2）传输速率： 1000 Mbps；
3）采用模块化结构，配置2个千兆光口，1个千兆电口，7个10/100M电；
以太网电信号接口：
1）传输距离：RJ45接口传输距离：100m（使用矿用阻燃通信网线）；
2）11个10/100Mbps自适应RJ45口；
3）传输方式：全双工TCP/IP传输协议；
RS485接口：
1）信号工作电流峰值：≤50mA；
2）传输距离：5000m使用矿用阻燃屏蔽通信电缆；
3）提供4以太网转485总线转换器；
4）传输方式：半双工RS485信号，双极性；
5.2 核心交换机（PT-7828-R-HV）
1）提供 SNMP V1/V2c/V3，可进行不同网络层级间的安全管理；
2）支持ABC-01(自动备份设定工具)，更易于置换故障设备；
3）带宽管理功能可以防止不可预料的网络状态；
4）端口锁定让只有特定 MAC 地址可进行访问；
5）端口镜像功能提供在线调试；
6）通过e-mail、继电器输出可实现自动报警；
6 结束语
虽然就目前的应用而言，工业以太网还不适合所有的工业自动化设备，并不能全面地应用于工业控制领域，且由于各大生产厂商的应用层协议的不同，给工业以太网全面应用带来一定的影响，但是以太网在进入工业控制领域的过程中将逐步成熟，并具有巨大的发展潜力和非常广阔的前景，其应用领域将不断地得到扩展，而且应用广度和深度也将继续扩大。

以太网技术的迅猛发展为其进入工业现场测控领域奠定了坚实的基础，工业以太网成为发展的必然趋势。

可以预测，工业以太网的飞速发展将结束目前在现场总线标准上的纷争，将大大提高企业自动化、网络化和信息化的水平。