l 以太網與工業以太網的介紹

本文通過分析以太網的網絡通信機制，指出了以太網進入工業通信網絡中存在的問題和它的一些解決方法。繼而詳細介紹了一個目前工業通信網絡中應用比較廣泛的工業以太網（SIMATIC NET）。
現場總線的出現，對于實現面向設備的自動化系統起到了巨大的推動作用，但現場總線這類專用實時通信網絡具有成本高，速度低和支持應用有限等缺陷，再加上總線通信協議的多樣性，使得不同總線產品不能互相互連，互用和互操作等，因而現場總線工業網絡的進一步發展受到了極大的限制。隨著以太網技術的發展，特別是高速以太網的出現使得以太網能夠克服了自己本身的缺陷，進入工業領域成為工業以太網,因而使得人們可以用以太網設備去代替昂貴的工業網絡設備。

l 以太網的主要缺陷

在講以太網的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網的通信機制。以太網是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸的網絡。它最早出現在1972，由XeroxPARC所創建。當前以太網采用星型和總線型結構，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。以太網產生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術。在傳統的共享網絡中，由于以太網中所以的站點，采用相同的物理介質相連，這就意味著2臺設備同時發出信號時，就會出現信號見的互相沖突。為了解決這個問題，以太網規定，在一個站點訪問介質前，必須先監聽網絡上有沒有其他站點在同時使用該介質。，如果有則必須等待，此時就發生了沖突。為了減少沖突發生的幾率，以太網常采用1-持續CSMA，非持續CSMA，P-持續CSMA的算法2　　。由于以太網是以辦公自動化為目標設計的，并不完全符合工業環境和標準的要求，將傳統的以太網用于工業領域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業網絡低，技術透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協議為各現場總線廠商大開了方便之門，但是，要使以太網符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷：

l 確定性

由于以太網的MAC層協議是CSMA/CD，該協議使得在網絡上存在沖突，特別是在網絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業網絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發數據，使得網間通信的不確定性大大增加。在工業控制網絡中這種從一處到另一處的不確定性，必然會帶來系統控制性能的降低。

l?實時性　　

在工業控制系統中,實時可定義為系統對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發生后，系統必須在一個可以準確預見的時間范圍內做出反映。然而，工業上對數據的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數據的更新是在數十ms內完成的。而同樣由于以太網存在的CSMA/CD機制，當發生沖突的時候，就得重發數據，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間為代價的。而且一但出現掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產的停止甚至是設備，人身安全事故。

l 可靠性

由于以太網在設計之初，并不是從工業網應用出發的。當它應用到工業現場，面對惡劣的工況，嚴重的線間干擾等，這些都必然會引起其可靠性降低。在生產環境中工業網絡必須具備較好的可靠性，可恢復性，以及可維護性。即保證一個網絡系統中任何組件發生故障時，不會導致應用程序，操作系統，甚至網絡系統的崩潰和癱瘓。

l 以太網工業應用解決機制

針對以太網存在的三大缺陷和工業領域對工業網絡的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網的性能和品質，以滿足工業領域的要求。下面介紹幾種解決機制：

l 交換技術

為了改善以太網負載較重時的網絡擁塞問題，可以使用以太網交換機（switch）。它采用將共享的局域網進行有效的沖突域劃分技術。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發生，提高系統的確定性，但該方法成本較高，在分配和緩沖過程中存在一定的延時。

l 高速以太網

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

l IEEE1588對時機制

IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協議（PTP）。此協議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網絡通信時同步控制信號產生一定的波動時，它所達到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網的系統。
通過采用這種技術，以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。此外，在企業的各層次中使用基于以太網TCP/IP協議的網絡技術有著巨大的優勢。
一個包括IEEE1588對時機制的簡單系統至少包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據最優化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統或現存的主時鐘與網絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。如果多個PTP子系統需要互聯，則必須由邊界時鐘來實現。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統相聯，并且為整個系統提供時鐘標準。因此這個子系統的主時鐘是整個系統的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時鐘的端口對子系統來說是普通時鐘。
IEEE1588所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現在已經有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。

l 典型工業以太網

隨著以太網技術的高速發展及它的80%的市場占有率和現場總線的明顯缺陷，促使工控領域的各大廠商紛紛研發出適合自己工控產品且兼容性強的工業以太網。其中應用最為廣泛的工業以太網之一是德國西門子公司研發的SIMATIC NET工業以太網。它提供了開放的，適用于工業環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網絡參考模型。SIMATIC NET工業以太網主要體系結構是由網絡硬件，網絡部件，拓撲結構，通行處理器和SIMATIC NET軟件等部分組成。

l SIMATIC NET工業以太網基本類型和網絡硬件

SIMATIC NET工業以太網有2種類型，分別為10Mbit/s工業以太網和100Mbit/s工業以太網。它是利用帶傳輸技術，基于IEEE802.3利用CSMA/CD介質訪問方法的單元級和控制級傳輸網絡。在西門子工業以太網中，通常使用的的物理傳輸介質是屏蔽雙絞線（TP），工業屏蔽雙絞線（ITP）以及光纖。TP連接常用于端對端的連接。一個數據終端設備（DTE）直接連接到網絡連接元件端口，而該設備負責將信號進行放大和轉發。在SIMATIC NET工業以太網中，這些網絡連接元件有OLM（光學鏈接模板）ELM（電氣連接模板）OSM（光學交換機模板）和ESM（電氣交換機模板）。DTE與連接元件之間通過TP或ITP電纜連接。

l SIMATIC NET工業以太網網絡部件

SIMATIC NET工業以太網網絡部件包括工業以太網鏈路模板OLM，ELM和工業以太網交換機OSM/ESM和ELS以及工業以太網鏈路模塊OMC。其中OLM（光鏈路模塊）有3個ITP接口和二個BFOC接口。ITP接口可以連接三個終端設備和網段，BFOC接口可以連接二個光路設備（如OLM等），速度為10Mbit/s。ELM（電氣鏈路模塊）有3個ITP接口和一個AUI接口。通過AUI接口可以將網絡設備連接到LAN上，速度為10Mbit/s。在普通OSM上，電氣接口（TP/ITP）都是10/100 Mbit/s自適應的且線序自適應。光纖接口為100 Mbit/s全雙工的BFOC接口，適用于多模光纖連接。二個OSM之間的最遠距離為3km。在同一個網段上最多可以連接50個OSM，則擴展距離為150km。同時它還有地址學習，地址刪除，設置傳輸波特率（10或100 Mbit/s）及自適應功能，簡化了網絡配置和增強了網絡擴展能力。此外，根據IEEE802.1Q標準，OSM/ESM還支持VLAN（虛擬局域網），它提供數據包的VLAN優先權標簽。它將數據分配為由低到高（0-7）的優先權級別，對于沒有目的地址的數據包則被視為低優先權的數據幀。

l SIMATIC NET工業以太網的拓撲結構

l 總線型拓撲結構

在OLM或ELM的總線拓撲結構中，DTE設備可以通過ITP電纜及接口連接在OLM或ELM上。每個OLM或ELM有三個ITP接口。OLM之間可以通過光纜進行連接，最多可以級聯11個。而在ELM之間可以通過ITP XP標準電纜進行連接，最多可以級聯13個。ESM可以通過TP/ITP電纜相連組成總型網絡。任何一個端口都可以做為級聯的端口使用。二個ESM之間的距離不能超過100m，整個網絡最多可以連接50個ESM。

l 環型拓撲結構

OLM可以通過光纜將總線型網絡首尾相連，從而構成環行網絡。整個網絡上最多可以級聯11個OLM，與總線型網絡相比冗余環網增加了數據交換的可靠性。而OSM/ESM也能夠構成環網拓撲結構，它們具有網絡冗余管理功能。它們通過DIP開關可以設置網絡中的任何一個OSM/ESM做為冗余管理器。因而可以組成冗余的環網，其中OSM/ESM上7，8口作為環網的光纜級連接口。做為冗余管理器的OSM監測7，8口的狀態，一旦檢測到網絡中斷，將重新構建整個網絡，將網絡切換到備份的通道上，保證數據交換不會中斷。網絡重構時間小于0.3S。

l 環網冗余

在西門子工業以太網中，每個OSM/ESM上（除OSM TP22和ESM TP40）都有standby-sync接口。使用一對OSM/ESM，通過DIP開關設置備用（standby）主站和備用從站。用ITP XP標準電纜，將備用接口連接起來，則該對OSM/ESM可以用來冗余連接另外一個環網。備用主站和從站之間通過ITP XP9/9標準電纜連接。當備用主站通道出現故障時，備用從站連接通道工作；當備用主站通道恢復正常時，備用主站會通知備用從站，備用的從站將停止工作。而整個網絡重構的時間小于0.3m。

l SIMATIC NET工業以太網通信處理器

常用的SIMATIC NET工業以太網通信處理器（CP），包括用在S7PLC站上的處理器CP243-1系列，CP343-1系列，CP443-1系列以及用在PC上的網卡，并提供ITP，RJ45及AUI等以太網接口。它們以10/100 Mbit/s的速度將PLC或PC連接至工業以太網。CP系列模板是為S7系列PLC在組成工業以太網進行通信時使用的，通過CP系列模板用戶可以很方便的將S7系列PLC通過以太網進行連接，并且支持使用STEP7-Micro/WIN32軟件.通過以太網對S7系列PLC進行遠程組態,編程和診斷.同時,通過CP,S7系列中各PLC之間可以進行以太網連接,并且還可以同PC上的OPC Server進行通信。

l SIMATIC NET工業以太網軟件

SIMATIC NET工業以太網軟件包括SIMATIC NET V6.2和OPC（OLE for Process Control）,其中SIMATIC NET軟件提高了統一的Windows屆面，同時也集成并更新了更多的功能，特別是它提供了APC（Advanced PC Configuration）高級PC配置工具，通過APC的組態，PC可以作為整個系統控制系統的一個站點同其他PLC站進行通信，同時提供了OPC Server以及數據處理功能。OLE（對象連接和嵌入式）本身是基于Microsoft COM技術的一個應用，而OPC接口是基于OLE的開放的統一的軟件接口。OPC不依靠于某一個廠商，幾乎所以的工控軟，硬件控制商都已集成了OPC接口，因此各不同硬件廠商之間的設備通信就可以通過統一的OPC接口進行，從而避免了不同設備的廠商由于通信協議的差異而造成數據交換困難的問題。SIMATIC NET OPC是服務器/客戶端結構，客戶端訪問服務器的程序接口有自動化接口和用戶自定義接口，其中只有自定義接口可以用來訪問故障報警和觸發事件消息。SIMATIC NET OPC的結構為分級模式，即OPC server --- OPC group --- OPC item,OPC數據訪問均基于此結構。

l 工業以太網的前景和展望

工業以太網以其特有的低成本，高實效，高擴展性及高智能的魅力，吸引著越來越多的制造業的廠商。一方面如此眾多的廠商研制和開發工業以太網技術，如果不加以統一分規范，象現場總線的情況一樣，標準眾多，兼容性差，繼而影響到工業以太網的發展。正是如此，國際社會已經開始著手制定一個工業以太網標準。在2004.5北京召開的國際工業以太網系列標準起草工作組（IEC/SC65C/WGs）第三次會議上,我們已經能夠看到一個初具雛行的工業以太網國際標準,該系列標準將于2005.8定稿,經過2006.2和2006.12二次意見征求后,于2007年下半年正式發布。使得該系列標準從IS標準成為IEC標準6。另一方面，以太網和通信技術的突飛猛進也促使工業以太網技術進一步發展。現在工業以太網技術已經開始向實時工業以太網和無線工業以太網的方向發展。特別是奧地利貝加萊（B&R）已經開發出具有真正意義上的實時以太網（Ethernent Powerlink），而不久的將來，面向未來工業網絡的新一代工業以太網組件也將出現。由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業現場
                                    馬上看看產品