以太網應用關鍵技術及設計方案集錦

　　引言

　　以太網（Ethernet）指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802.3系列標準相類似。

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　　工業以太網是應用于工業控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面能滿足工業現場的需要。

　　Ethernet過去被認為是一種“非確定性”的網絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發的，在工業控制領域只能得到有限應用，這是由于：

　　Ethernet的介質訪問控制（MAC）層協議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業控制的實時性要求；

　　Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境要求；

　　在工廠環境中，Ethernet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網不具備本質安全性能；

　　Ether-net不能通過信號線向現場設備供電問題。

　　隨著互聯網技術的發展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發展，上述問題在工業以太網中正在迅速得到解決。

　　Ethernet應用于工業現場的關鍵技術

　　（一）通信確定性與實時性

　 　工業控制網絡不同于普通數據網絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量 的數據準確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制的實時要求，故傳統以太網技術難 以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網絡。

　　工業以太網采取了以下措施使得該問題基本得到解決：

　　采用快速以太網加大網絡帶寬

　　Ethernet的通信速率從10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降，從而提高其實時性。

　　采用全雙工交換式以太網

　　用交換技術替代原有的總線型CSMA/CD技術，避免了由于多個站點共享并競爭信道導致發生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費，同時還可以實現全雙工通信，提高信道的利用率。

　　降低網絡負載

　　工業控制網絡與商業控制網絡不同，每個結點傳送的實時數據量很少，一般為幾個位或幾個字節，而且突發性的大量數據傳輸也很少發生，因此可以通過限制網段站點數目，降低網絡流量，進一步提高網絡傳輸的實時性。

　　應用報文優先級技術

　　在智能交換機或集線器中，通過設計報文的優先級來提高傳輸的實時性。

　　（二）安全性

　　在工業生產過程中，很多現場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應用于這些工業現場的智能裝置以及通信設備，都必須采取一定的防爆技術措施來保證工業現場的安全生產。

　 　在目前技術條件下，對以太網系統采用隔爆、防爆的措施比較可行，即通過對Ethernet現場設備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現場設備本身的故 障產生的點火能量不外泄，以保證系統運行的安全性。對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。

　　工業系統的網絡安全是工業以太網應用必須考慮的另一個安全性問題。工業以太網可以將企業傳統的三層網絡系統，即信息管理層、過程監控層、現場設備層，合成一體，使數據的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現數據的共享，提高工廠的運作效率。

　　但同時也引人了一系列的網絡安全向題，工業網絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。

　　一般情況下，可以采用網關或防火墻等對工業網絡與外部網絡進行隔離，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制加強網絡的安全管理。

　?。ㄈ┓€定性與可靠性

　　傳統的Ethernet并不是為工業應用而設計的，沒有考慮工業現場環境的適應性需要。由于工業現場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣控制工程網版權所有，因此對設備的工業可靠性提出了更高的要求。在工廠環境中，工業網絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。

　 　為了解決在不間斷的工業應用領域，在極端條件下網絡也能穩定工作的問題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschmann，Jetter AG等公司專門開發和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。

　　此外，在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以此提高網絡的抗干擾能力和可靠性。

　　（四）總線供電問題

　　總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現場設備的線纜不僅傳輸數據信號，還能給現場設備提供工作電源。對于現場設備供電可以采取以下方法：

　　在目前以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范，將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離開來。