以太网技术自1980年由DEC,Xerox,Intel三家公司联合开发为标准之后,就得到了广泛的应用,随着互联网的广泛应用,以太网技术更是渗入到了社会发展的方方面面,但是在工业控制领域,以太网技术发展相对较为缓慢,由于以太网技术是基于民用开发的,其应用在工业控制用途有很多问题需要解决,普通以太网技术在可靠性,实时性以及可维护性方面并不能满足工业现场的需求,针对工业现场的各种需要,各个厂家开发出了工业以太网技术以方便应用于工业控制领域。

以太网技术应用于工业现场具有以下几个问题需要解决:1.实时性问题,民用以太网对于数据的实时性没有严格的要求,对于浏览网页的用户而言,数秒钟时间的延迟是可以接受的,但是在工业控制领域,数秒的延迟则有可能导致严重的安全事故。2.网络弹性问题,以太网一般都是采用星型拓扑结构布设,这样方便布线以及扩展。但是星型布线没有冗余,一旦出现故障,则会导致整条线路出现问题直至排除故障,更严重的是,主节点出现问题可能会导致整个通信网络瘫痪。3.适应外部环境问题,民用以太网技术是基于办公室环境开发的,而放置交换机以及路由器的机房对于环境的要求非常苛刻,要求温湿度设定在要求范围之内以及低尘的机房环境。4.电磁干扰问题,工业现场一般都会有大型机电设备产生非常强烈的电磁干扰,而普通以太网采用的屏蔽双绞线虽然具有一定的抗干扰能力,但是仍然会受到干扰从而影响通信的稳定性。5.可维护性问题,普通局域网出现问题网络管理员寻找故障点以及进行维护的时间较长,出现一定时间的中断后果不会特别严重,而在工业控制领域,通信中断则意味着生产中断,损失则会难以承受。6.电源供应问题,民用以太网设备基本上都是采用交流电电源供电,而在工业现场环境,相对来说,直流总线供电比较容易,且要求冗余电源供电防止电源故障导致系统崩溃。

针对以太网技术适用于工业现场存在的问题,工业以太网技术有针对性的提出各种解决方案来用于解决:

1.实时性问题,以太网出现延时一般都是由于数据碰撞导致冲突从而使得通信出现延时,出现数据碰撞一般由以下几个因素导致的。A.共享通信介质,多个以太网设备共享一条通信线路,采用多路复用冲突检测机制解决数据冲突问题,一旦侦测到数据冲突,以太网设备自动退出数据发送,数据延时就此产生,利用交换技术通过工业以太网交换机将通信线路划分为多个冲突域以避免数据碰撞。B.半双工通信,普通以太网设备与交换机通信多采用半双工通信,一旦双方同时有数据需要发送,则会出现数据碰撞,采用全双工通信方式可以有效避免类似情况。C.广播风暴,工业控制领域中,设备的控制命令以及运行参数等数据需要同时告知多个其他设备,采用单播方式效率低下,时效性能低,采用广播方式则容易出现广播风暴,利用组播方式可以将数据传送至指定的以太网端口且不会产生广播风暴,还有利用VLAN技术划分局域网,更小的网络结构能够更加有效的抑制广播风暴。D.数据排队问题,当通信速率较低或者数据流量较大的时候,会出现数据排队问题从而导致延时,采用快速以太网,千兆以太网技术提高通信速率使得数据通信速度更快避免网络拥塞,采用端口优先级权限,保证控制信号数据以及语音数据能够优先通行,从而保证重要数据的实时性。E.交换机存在的延时,民用交换机一般在转发的时候存在数毫秒的延迟,当通过多个交换机的时候,延时不断的累积从而导致较大的延时,专业的工业交换机可以保证延时在数微秒的时间之内,其延时几乎可以忽略不计。

2.网络弹性问题,以太网通信网络中一定要避免冗余环路以防止产生网络风暴,普通交换机采用星型拓扑结构以及快速生成树来避免环路的产生,但是一旦网络节点有所改变或者某个节点出现故障,其重启快速生成树从而启动冗余链路的收敛时间一般都是数秒,而这个在工业控制领域是不能接受的。工业以太网交换机采用冗余环网结构,其组成环网之后阻塞一个端口作为冗余链路,形成总线式拓扑结构,一旦环网上某个节点故障则立即启动冗余链路形成总线式拓扑结构 ,其自愈时间可以达到20ms之内,能够保证即使通信线路出现问题也不会对工业控制流程产生影响。

3.适应外部环境问题,工业环境下存在高低温,高尘等外部环境因素,会对电子设备造成严重的损害,深圳市国科伟业通信技术有限公司的工业以太网交换机采用工业四级设计,采用波纹式高强度外壳设计,具有良好的防尘,散热效果良好,采用宽温设计方案,能够工作在-40℃~75℃的温度范围之内稳定运行,采用光纤作为主干通信线路,能够有效的防止工业环境大型机电设备产生的电磁辐射对通信产生的干扰。

4.可维护性问题,工业交换机在出现端口掉线等故障的时候,除自动启动冗余链路恢复通信之外,还同时会在继电器上输出告警信号,通过继电器上的声光报警器提示维护人员进行维护,能够让维护人员及时发现问题并即时维护修复。

5.根据不完全统计,交换机出现故障导致通信中断的情况,因为电源造成的因素占到百分之三十五,而电源出现问题导致工业以太网通信瘫痪的情况比比皆是。工业网络交换机采用冗余备份双电源,一旦某个电源出现问题,冗余电源立即启用保证供电不中断。

随着工业以太网技术的不断改善,工业以太网技术现在越来越深入到工业控制领域的方方面面,各个工控设备厂家也随着这股潮流纷纷推出基于以太网通信的工控设备,以太网通信正在从工厂的全面占据信息层,逐步占据控制层,现场设备层也开始基于以太网通信,利用工业以太网通信技术,工业控制领域实现管控一体化的步伐正在逐渐加快。

 

 

 

 

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