朱錦榮

摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展；對(duì)以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域需解決的問(wèn)題進(jìn)行論述，并提出相應(yīng)解決方法；進(jìn)而通實(shí)例介紹了工業(yè)以太網(wǎng)在西江引水工程的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；特點(diǎn)；西江引水工程

1.以太網(wǎng)介紹

以太網(wǎng)是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox,Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)技術(shù))技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。

上世紀(jì)90年代，以太網(wǎng)得到了高速的發(fā)展，并吸納后推出了傳輸速率為100Mb/s快速以太網(wǎng)、1 Gb/s以太網(wǎng)和10 Gb/s速率以太網(wǎng)等高速以太網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)幀格式特別適合于傳輸IP數(shù)據(jù)包。隨著Internet的快速發(fā)展，以太網(wǎng)被廣泛使用。

2、以太網(wǎng)用于工業(yè)域存在的問(wèn)題

以太網(wǎng)技術(shù)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。但由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域還存在一些問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面。

（1）存在實(shí)時(shí)性差，不確定性的問(wèn)題

傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議（CSMA/CD）,并且采用1堅(jiān)持二進(jìn)制質(zhì)數(shù)后退算法（BEB）處理沖突。具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)取得信息包的發(fā)送權(quán)。通信時(shí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無(wú)法保證確定的排隊(duì)延遲和通信響應(yīng)確定性。

（2） 工業(yè)可靠性問(wèn)題

由于以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要。在面對(duì)相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，必然會(huì)引起其可靠性降低。由于工業(yè)環(huán)境對(duì)EMI(工業(yè)抗干擾)和ESD(工業(yè)抗震)的不同需求，對(duì)EMC（電磁兼容性）也提出更高的要求。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性，可恢復(fù)性，以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

（3） 安全性問(wèn)題

以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會(huì)受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。沒(méi)有授權(quán)的用戶可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層，造成安全漏洞。

3．以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的解決辦法

針對(duì)以上以太網(wǎng)工業(yè)用的缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，除了選用能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠工作的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備外，目前已采用多種方法來(lái)改善網(wǎng)的性能和品質(zhì)，已滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求

（1）采用交換技術(shù)以避免數(shù)據(jù)沖突

通過(guò)交換式集線器可以認(rèn)為是一個(gè)受控的多端口開關(guān)矩陣，各個(gè)端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供了一個(gè)直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接。不同端口可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。多個(gè)交換把整個(gè)以太網(wǎng)分解成許多獨(dú)立的區(qū)域，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒(méi)有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)站點(diǎn)的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和確定性。

（2） 采用高速以太網(wǎng)以降低沖突概率

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)（100M）和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過(guò)提高通信速度，可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷率，從而降低沖突概率。結(jié)合交換技術(shù)，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工控網(wǎng)絡(luò)。

（3） 采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的許多固有觀念，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更靈活、方便。實(shí)際上，VLAN就是一個(gè)廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對(duì)象組和應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個(gè)邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機(jī)的每一個(gè)端口只能標(biāo)記一個(gè)VLAN，同一個(gè)VLAN中的所有站點(diǎn)擁有一個(gè)廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

3、工業(yè)以太網(wǎng)在西江引水工程中的實(shí)例。

西江引水工程作為廣州市原水系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)置相對(duì)集中的運(yùn)行子調(diào)度控制中心，接受廣州市供水調(diào)度中心的宏觀調(diào)度命令，并全面負(fù)責(zé)整個(gè)西江引水工程范圍內(nèi)從取水、輸水、配水到受水廠的全過(guò)程輸配水生產(chǎn)調(diào)度及安全生產(chǎn)各措施，以滿足廣州市西北部地區(qū)凈水廠的原水供應(yīng)需求。 在鴉崗配水泵站設(shè)立子調(diào)度中心，綜合實(shí)施安全生產(chǎn)全過(guò)程控制。 在取水泵站、鴉崗配水泵站分別設(shè)置泵站監(jiān)控中心，貫徹子調(diào)度中心下達(dá)的有關(guān)指令，上報(bào)所屬設(shè)備的運(yùn)行情況并對(duì)其實(shí)施控制調(diào)整操作；

以鴉崗配水泵站為例，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要以體現(xiàn)可靠性（安全性）、開放性（可擴(kuò)展性）、經(jīng)濟(jì)性（實(shí)用性）以及互聯(lián)性為原則。整個(gè)控制系統(tǒng)由一個(gè)公用主站和十二個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成。

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選用1Gb/s 光纖以太環(huán)網(wǎng)，泵站內(nèi)監(jiān)控以及現(xiàn)場(chǎng)控制PLC均通過(guò)工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)掛接在以太網(wǎng)上，PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和高低壓柜以及現(xiàn)場(chǎng)自控儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

十二個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站（每臺(tái)水泵一個(gè)）設(shè)置在泵房?jī)?nèi)。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站均設(shè)置一套具有邏輯控制功能、故障自診斷和自動(dòng)切換功能的PLC(選用AB公司的COMPACTLOGIX 系列PLC)、操作員終端以及輔助設(shè)備能按要求或提供的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供所屬設(shè)備運(yùn)行的聯(lián)動(dòng)、聯(lián)鎖和控制，提供設(shè)備的閉環(huán)運(yùn)行控制，運(yùn)行（遠(yuǎn)控/就地/一步化）模式的切換。同時(shí)通過(guò)1Gb/s 光纖以太環(huán)網(wǎng)的數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往中央監(jiān)控主站，并接受上位機(jī)的數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)和控制的依據(jù)。

公用主站可調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)控制站的全部運(yùn)行信息，并通過(guò)一定權(quán)限設(shè)定控制現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的啟停，實(shí)現(xiàn)整個(gè)泵站的調(diào)度管理。

4、小結(jié)

工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本，高實(shí)效，高擴(kuò)展性及高智能的魅力，在各個(gè)行業(yè)中得到月越來(lái)越多的運(yùn)用。隨著國(guó)際工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的推出，以太網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽(yù)，即它可以一直延伸到設(shè)備控制層，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)取代現(xiàn)有的繼續(xù)現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，成為水行業(yè)工程網(wǎng)絡(luò)中的主流技術(shù)之一?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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[2]賈東耀,汪仁煌.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2002年,第5期