編者按：工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域業(yè)界的技術(shù)熱點(diǎn)已有時(shí)日，其技術(shù)本身尚在發(fā)展之中，還沒有走向成熟，還存在許多有待解決的問題。究竟什么是工業(yè)以太網(wǎng)，它有哪些特色技術(shù)，如何應(yīng)用與選擇適合自己需求的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)品，依然是今天人們所關(guān)心的問題。
一 什么是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，是以太網(wǎng)或者說是互聯(lián)網(wǎng)系列技術(shù)延伸到工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的產(chǎn)物。前者源于后者又不同于后者。以太網(wǎng)技術(shù)原本不是為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境準(zhǔn)備的。經(jīng)過對(duì)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性的改造，通信實(shí)時(shí)性改進(jìn)，并添加了一些控制應(yīng)用功能后，形成了工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)主體。因此，工業(yè)以太網(wǎng)是一系列技術(shù)的綜稱。
二 工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)涉及企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次
企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按其功能劃分，一般稱為以下三個(gè)層次：企業(yè)資源規(guī)劃層(Enterprise Resource Planning, ERP)、制造執(zhí)行層(Manufacturing Excurtion System, MES)和現(xiàn)場(chǎng)控制層(Field Control System，F(xiàn)CS)。通過各層之間的網(wǎng)絡(luò)連接與信息交換，構(gòu)成完整的企業(yè)信息系統(tǒng)。(
圖中的ERP與MES功能層屬于采用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成信息網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)層次的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)，其核心技術(shù)依然是信息網(wǎng)絡(luò)中原本的以太網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)系列技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)在該層次的特色技術(shù)是對(duì)其實(shí)行的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性改造。而現(xiàn)場(chǎng)控制層FCS中，基于普通以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)則屬于該層次中工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)范疇?？梢园压I(yè)以太網(wǎng)在該層的特色技術(shù)看作是一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。除了工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性改造的內(nèi)容之外，通信實(shí)時(shí)性、時(shí)間發(fā)布與同步、控制應(yīng)用的功能與規(guī)范，則成為工業(yè)以太網(wǎng)在該層次的技術(shù)核心。
無(wú)論是在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，還是基于普通以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)，以及新興的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，均屬于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的范疇。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)涉及到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次。
三 工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)
以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域所形成的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)，要在繼承或部分繼承以太網(wǎng)原有核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，面對(duì)環(huán)境適應(yīng)性，通信實(shí)時(shí)性，時(shí)間發(fā)布與各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)供電、本安防爆、網(wǎng)絡(luò)的功能安全與信息安全等問題，提出相應(yīng)的解決方案。以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)原有的核心技術(shù)是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，而原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性，通信實(shí)時(shí)性等實(shí)行相關(guān)改進(jìn)、添加而形成的部分，就是工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)。
1. 環(huán)境適應(yīng)性
在工業(yè)環(huán)境下工作的網(wǎng)絡(luò)要面臨比辦公室惡劣得多的條件。工業(yè)生產(chǎn)中面臨的強(qiáng)電磁輻射、各種機(jī)械震動(dòng)、粉塵、潮濕，野外露天的嚴(yán)寒酷暑、風(fēng)霜雨雪、地下水中等工作環(huán)境。工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)要立足于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，首先需要應(yīng)對(duì)這些問題帶來的困繞。
針對(duì)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境需要、具有相應(yīng)防護(hù)等級(jí)的產(chǎn)品稱之為工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品。防護(hù)級(jí)工業(yè)產(chǎn)品是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù)的重要體現(xiàn)之一。這些工業(yè)級(jí)產(chǎn)品專門針對(duì)工作溫度、濕度、振動(dòng)、電磁輻射等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同需要，分別采取了相應(yīng)的措施。如工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的元器件，其工作溫度的適應(yīng)范圍一般要求較寬。其元器件的工作溫度，一般會(huì)選擇在-20℃～+70℃或-40℃～+85℃乃至更寬。工業(yè)環(huán)境下，往往要求采用DIN導(dǎo)軌式安裝。辦公室使用的RJ45連接器，應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境太易損壞，連接不可靠。工業(yè)環(huán)境下的接插件應(yīng)具有帶鎖緊機(jī)構(gòu)等抗震動(dòng)措施。設(shè)備殼體與電路板應(yīng)具有抗電磁干擾、防水防雨、抗雷擊等方面防護(hù)措施。設(shè)備的材質(zhì)、強(qiáng)度、抗振動(dòng)、抗疲勞能力等，都是需要考慮的問題。
工業(yè)用戶因使用辦公室商業(yè)級(jí)交換機(jī)而使網(wǎng)絡(luò)處于故障多發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低時(shí)，認(rèn)識(shí)到了在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)該采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。許多公司開發(fā)了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境需要、具有相應(yīng)防護(hù)等級(jí)的產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上典型的工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品有：安裝在DIN導(dǎo)軌上的導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器、交換機(jī)；冗余電源；特殊封裝的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)接插件等。工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的目前的防護(hù)等級(jí)為IP20 ～I(xiàn)P40。當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更深入地?cái)U(kuò)展到流程工業(yè)等制造業(yè)時(shí)，其防護(hù)等級(jí)需要增長(zhǎng)至IP67～I(xiàn)P68。目前工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)品中，這部分產(chǎn)品占有主要的市場(chǎng)份額。
a. 網(wǎng)絡(luò)供電
網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)在用于傳輸數(shù)字信號(hào)的同時(shí)，還為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳遞工作電源者，被稱之為網(wǎng)絡(luò)供電。在辦公室的信息網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的供電問題易于解決，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)只是用于傳輸信息的數(shù)字信號(hào)，沒有網(wǎng)絡(luò)供電的需求。而在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，許多現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的位置分散，現(xiàn)場(chǎng)不具備供電條件，或供電受到某些易燃易爆場(chǎng)合的條件限制，因而提出了網(wǎng)絡(luò)供電的要求。因此網(wǎng)絡(luò)供電也是適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境需要的特色技術(shù)之一。有些現(xiàn)場(chǎng)總線，如基金會(huì)總線FF等就具備總線供電的能力。
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)目前提出的網(wǎng)絡(luò)供電方案中，一種是沿用IEEE802.3af規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)供電方式，利用5類雙絞線中現(xiàn)有的信號(hào)接收與發(fā)送這兩對(duì)線纜，通過供電交換機(jī)向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備供電。也可以利用現(xiàn)有的5類雙絞線中的空閑線對(duì)向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備供電。一般工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，要求采用柜內(nèi)低壓供電，如直流10～36V，交流8～24V。
b. 本質(zhì)安全
在一些易燃易爆的危險(xiǎn)工業(yè)場(chǎng)所應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)，還必需考慮本安防爆問題。本質(zhì)安全是指將送往易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)合的能量，控制在引起火花所需能量的限度之內(nèi)而采取的措施。這對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功耗，設(shè)備所使用的電容、電感等儲(chǔ)能元件的參數(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)連接部件，提出了許多新的要求。應(yīng)該說，總線供電、本質(zhì)安全等問題是以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制層后出現(xiàn)的新技術(shù)，屬于工業(yè)以太網(wǎng)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的特色技術(shù)范疇，屬于開發(fā)之中尚未成熟的部分。目前還未見工業(yè)以太網(wǎng)有此類系列產(chǎn)品上市。
2. 通信實(shí)時(shí)性、確定性
以太網(wǎng)采用IEEE802.3的標(biāo)準(zhǔn)，采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)的媒體訪問控制方式。因而以太網(wǎng)本質(zhì)上屬于非確定性網(wǎng)絡(luò)。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈募?、?shù)據(jù)在時(shí)間上沒有嚴(yán)格的要求，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)因采用這種非確定性網(wǎng)絡(luò)而造
在現(xiàn)場(chǎng)控制層，網(wǎng)絡(luò)是測(cè)量控制系統(tǒng)的信息傳輸通道。而測(cè)量控制系統(tǒng)的信息傳輸是有實(shí)時(shí)性要求的。什么時(shí)刻必須完成哪些數(shù)據(jù)的傳輸，一些數(shù)據(jù)要以固定的時(shí)間間隔定時(shí)刷新，一些數(shù)據(jù)的收發(fā)應(yīng)有嚴(yán)格的先后時(shí)序要求。還有一些動(dòng)作要有嚴(yán)格互鎖，如A閥打開后才能啟動(dòng)B風(fēng)機(jī)，前一動(dòng)作的完成是后一動(dòng)作的先決條件。要確保這些動(dòng)作的正確完成就要求網(wǎng)絡(luò)通信滿足實(shí)時(shí)性、確定性、時(shí)序性要求，達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求或因時(shí)間同步等問題影響了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)作時(shí)序，有可能造成災(zāi)難性的后果。
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)針對(duì)通信實(shí)時(shí)性、確定性問題的解決方案，屬于工業(yè)以太網(wǎng)的特色與核心技術(shù)。站在控制網(wǎng)絡(luò)的角度來看，工作在現(xiàn)場(chǎng)控制層的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，實(shí)際上屬于一種新的現(xiàn)場(chǎng)總線。
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是尚在開發(fā)之中的未成熟技術(shù)。目前市場(chǎng)上也難得見到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。處于開發(fā)之中有代表 性的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制類產(chǎn)品有：帶實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口的PLC、PAC、執(zhí)行器、變送器、分布式/遠(yuǎn)程IO，網(wǎng)橋等。
當(dāng)前實(shí)時(shí)以太網(wǎng)旗下的技術(shù)種類繁多，僅在IEC61784-2中就已囊括了11個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的PAS文件。它們是：Ethernet/IP，PROFInet，P-NET，INTERBUS，VNET/IP ，TCnet，EtherCAT，ETHERNET Powerbbbb，EPA，Modbus-RTPS，SERCOS-III。它們?cè)趯?shí)時(shí)機(jī)制、實(shí)時(shí)性能、通信一致性上都存在很大差異。這也許是IEC旗下現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)的延續(xù)吧。
上述多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)中，有的采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和RT-CSMA/CD協(xié)議實(shí)現(xiàn)軟實(shí)時(shí)(SRT)機(jī)制。它將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)兩類。系統(tǒng)中的非實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)依然遵循某種P-CSMA/CD協(xié)議，而實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)遵循RT-CSMA/CD協(xié)議，其實(shí)時(shí)性能等級(jí)可達(dá)到毫秒級(jí)。有的采用專為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)開發(fā)的專用通信芯片，實(shí)現(xiàn)等時(shí)同步實(shí)時(shí)(Isochronous Real Time)通信機(jī)制。在高精度運(yùn)動(dòng)控制中，用它來支持多個(gè)相關(guān)站點(diǎn)間的嚴(yán)格精確同步時(shí)，其實(shí)時(shí)性能等級(jí)可達(dá)到微秒級(jí)。還有的采用基于IEEE 1588時(shí)鐘同步協(xié)議，運(yùn)用軟硬件配合的方式實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)微秒、乃至納秒級(jí)的高精度時(shí)鐘同步策略。
3. 基于普通以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)
控制網(wǎng)絡(luò)中需要實(shí)時(shí)通信技術(shù)的支持，但也并非是所有測(cè)量控制系統(tǒng)都有那么高的實(shí)時(shí)性要求。由于普通以太網(wǎng)原本就具有交換技術(shù)與高傳輸速率，加上在控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初就注意有效配置網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，使得基于普通以太網(wǎng)通信技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)，也可以滿足一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不那么高的測(cè)量控制系統(tǒng)的需要。如樓宇自動(dòng)化等。
在PLC等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制設(shè)備中集成以太網(wǎng)通信接口，組成了基于普通以太網(wǎng)技術(shù)的控制節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)段，這是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的又一特色技術(shù)。把信息網(wǎng)絡(luò)的普通以太網(wǎng)技術(shù)用于控制網(wǎng)絡(luò)，還需要網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、驅(qū)動(dòng)隔離等軟硬件方面的許多技術(shù)改進(jìn)。
隨著ASIC芯片集成度的提高與功能的增強(qiáng)，單個(gè)芯片內(nèi)就可包括CPU、存儲(chǔ)器、多種通信接口、I/O接口等。采用帶以太網(wǎng)接口的多功能芯片，添加驅(qū)動(dòng)、隔離電路等，便可形成嵌入式以太網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)?；谄胀ㄒ蕴W(wǎng)技術(shù)的嵌入式節(jié)點(diǎn)有的還可同時(shí)兼有CAN2.0B， Bluetooth等通信接口?？煞奖愕貙?shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，集成Web服務(wù)器等。因此，基于普通以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)，在控制領(lǐng)域可以充分發(fā)揮出普通以太網(wǎng)所具有的技術(shù)成熟，軟硬件豐富、性能價(jià)格比高等優(yōu)勢(shì)。
基于普通以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)，所采用的技術(shù)相對(duì)成熟，已經(jīng)有了一些應(yīng)用實(shí)例，但其應(yīng)用范圍要受到實(shí)時(shí)性要求的限制。
四 工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用選擇
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)還有許多，如應(yīng)用層的控制應(yīng)用協(xié)議，控制功能塊，控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間發(fā)布與管理，都是以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)中原先不曾涉及到的技術(shù)。發(fā)展迅速的工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)，包括工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，也都當(dāng)屬在工業(yè)應(yīng)用中可供選擇的工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù)。
從實(shí)際應(yīng)用狀況分析，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合各不相同，有的用作工業(yè)環(huán)境的信息網(wǎng)絡(luò)通信，有的用作現(xiàn)場(chǎng)總線的高速(或上層)網(wǎng)段，有的是基于普通以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)，而有的則是基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)層次、不同應(yīng)用場(chǎng)合需要解決的問題，需要的特色技術(shù)內(nèi)容各不相同。工業(yè)環(huán)境的信息網(wǎng)絡(luò)通信并不要實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的支持；在需要抗震動(dòng)措施的場(chǎng)合不一定要求耐高溫?？傊?，具體到某一應(yīng)用環(huán)境，并不一定需要涉及方方面面、一應(yīng)俱全的解決方案。應(yīng)根據(jù)自身的應(yīng)用需要，分別選取適合自己特色技術(shù)。
五 結(jié)束語(yǔ)
由
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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