工業(yè)以太網(wǎng)的介紹
| 本文通過分析以太網(wǎng)的網(wǎng)絡通信機制，指出了以太網(wǎng)進入工業(yè)通信網(wǎng)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(yè)通信網(wǎng)絡中應用比較廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)（SIMATIC NET）。 現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，對于實現(xiàn)面向設備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用，但現(xiàn)場總線這類專用實時通信網(wǎng)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(xié)議的多樣性，使得不同總線產(chǎn)品不能互相互連，互用和互操作等，因而現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡的進一步發(fā)展受到了極大的限制。隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠克服了自己本身的缺陷，進入工業(yè)領域成為工業(yè)以太網(wǎng),因而使得人們可以用以太網(wǎng)設備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡設備。 1． 以太網(wǎng)的主要缺陷 在講以太網(wǎng)的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡。它最早出現(xiàn)在1972，由XeroxPARC所創(chuàng)建。當前以太網(wǎng)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(wǎng)產(chǎn)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(tǒng)的共享網(wǎng)絡中，由于以太網(wǎng)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(fā)出信號時，就會出現(xiàn)信號見的互相沖突。為了解決這個問題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個站點訪問介質前，必須先監(jiān)聽網(wǎng)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(fā)生了沖突。為了減少沖突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)CSMA的算法2 。由于以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標設計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標準的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡低，技術透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場總線廠商大開了方便之門，但是，要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷： 1.1 確定性 由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡中這種從一處到另一處的不確定性，必然會帶來系統(tǒng)控制性能的降低。 1.2 實時性 在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實時可定義為系統(tǒng)對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個可以準確預見的時間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，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(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產(chǎn)的停止甚至是設備，人身安全事故。 1.3可靠性 由于以太網(wǎng)在設計之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應用出發(fā)的。當它應用到工業(yè)現(xiàn)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(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)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(wǎng)絡系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時，不會導致應用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。 2.以太網(wǎng)工業(yè)應用解決機制 針對以太網(wǎng)存在的三大缺陷和工業(yè)領域對工業(yè)網(wǎng)絡的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網(wǎng)的性能和品質，以滿足工業(yè)領域的要求。下面介紹幾種解決機制： 2.1 交換技術 為了改善以太網(wǎng)負載較重時的網(wǎng)絡擁塞問題，可以使用以太網(wǎng)交換機（switch）。它采用將共享的局域網(wǎng)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(fā)生，提高系統(tǒng)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。 2.2 高速以太網(wǎng) 我們知道當網(wǎng)絡中的負載越大的時候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。有資料顯示當一個網(wǎng)絡的負菏低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時，10M以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡的負荷。幸運的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細致全面的設計及對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡結點的數(shù)量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡。 2.3 IEEE1588對時機制 IEEE1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡中，與網(wǎng)絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協(xié)議（PTP）。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)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(wǎng)絡通信時同步控制信號產(chǎn)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(wǎng)的系統(tǒng)。 通過采用這種技術，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡技術有著巨大的優(yōu)勢。 一個包括IEEE1588對時機制的簡單系統(tǒng)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(jù)最優(yōu)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(tǒng)或現(xiàn)存的主時鐘與網(wǎng)絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。如果多個PTP子系統(tǒng)需要互聯(lián)，則必須由邊界時鐘來實現(xiàn)。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián)，并且為整個系統(tǒng)提供時鐘標準。因此這個子系統(tǒng)的主時鐘是整個系統(tǒng)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(tǒng)。邊界時鐘的端口對子系統(tǒng)來說是普通時鐘。 IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)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(zhí)行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術所固有的數(shù)據(jù)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(yōu)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(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應商將該標準應用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。 3．典型工業(yè)以太網(wǎng) 隨著以太網(wǎng)技術的高速發(fā)展及它的80%的市場占有率和現(xiàn)場總線的明顯缺陷，促使工控領域的各大廠商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品且兼容性強的工業(yè)以太網(wǎng)。其中應用最為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)之一是德國西門子公司研發(fā)的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)。它提供了開放的，適用于工業(yè)環(huán)境下各種控制級別的不同的通信系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)均基于國家和國際標準，符合ISO/OSI網(wǎng)絡參考模型。SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)主要體系結構是由網(wǎng)絡硬件，網(wǎng)絡部件，拓撲結構，通行處理器和SIMATIC NET軟件等部分組成。 3.1 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)基本類型和網(wǎng)絡硬件 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)有2種類型，分別為10Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)和100Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)。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(wǎng)絡。在西門子工業(yè)以太網(wǎng)中，通常使用的的物理傳輸介質是屏蔽雙絞線（TP），工業(yè)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(shù)據(jù)終端設備（DTE）直接連接到網(wǎng)絡連接元件端口，而該設備負責將信號進行放大和轉發(fā)。在SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)中，這些網(wǎng)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。 3.2 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡部件 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡部件包括工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模板OLM，ELM和工業(yè)以太網(wǎng)交換機OSM/ESM和ELS以及工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡配置和增強了網(wǎng)絡擴展能力。此外，根據(jù)IEEE802.1Q標準，OSM/ESM還支持VLAN（虛擬局域網(wǎng)），它提供數(shù)據(jù)包的VLAN優(yōu)先權標簽。它將數(shù)據(jù)分配為由低到高（0-7）的優(yōu)先權級別，對于沒有目的地址的數(shù)據(jù)包則被視為低優(yōu)先權的數(shù)據(jù)幀。 3.3 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結構 3.3.1 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(lián)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(lián)13個。ESM可以通過TP/ITP電纜相連組成總型網(wǎng)絡。任何一個端口都可以做為級聯(lián)的端口使用。二個ESM之間的距離不能超過100m，整個網(wǎng)絡最多可以連接50個ESM。 3.3.2 環(huán)型拓撲結構 OLM可以通過光纜將總線型網(wǎng)絡首尾相連，從而構成環(huán)行網(wǎng)絡。整個網(wǎng)絡上最多可以級聯(lián)11個OLM，與總線型網(wǎng)絡相比冗余環(huán)網(wǎng)增加了數(shù)據(jù)交換的可靠性。而OSM/ESM也能夠構成環(huán)網(wǎng)拓撲結構，它們具有網(wǎng)絡冗余管理功能。它們通過DIP開關可以設置網(wǎng)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(huán)網(wǎng)，其中OSM/ESM上7，8口作為環(huán)網(wǎng)的光纜級連接口。做為冗余管理器的OSM監(jiān)測7，8口的狀態(tài)，一旦檢測到網(wǎng)絡中斷，將重新構建整個網(wǎng)絡，將網(wǎng)絡切換到備份的通道上，保證數(shù)據(jù)交換不會中斷。網(wǎng)絡重構時間小于0.3S。 3.4 環(huán)網(wǎng)冗余 在西門子工業(yè)以太網(wǎng)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(huán)網(wǎng)。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(xiàn)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(wǎng)絡重構的時間小于0.3m。 3.5 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器 常用的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)卡，并提供ITP，RJ45及AUI等以太網(wǎng)接口。它們以10/100 Mbit/s的速度將PLC或PC連接至工業(yè)以太網(wǎng)。CP系列模板是為S7系列PLC在組成工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng) 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