卜慶廣

【摘要】工業(yè)以太網(wǎng)是21世紀新型的主導工業(yè)自動化領域系統(tǒng)，在本篇中先闡述了工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了礦山應用工業(yè)以太網(wǎng)的必要性以及實施重點，并在礦山應用基礎上提出了基于TCP/IP光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡的設計目標和設計原理，最后總結了當前工業(yè)以太網(wǎng)的技術應用和發(fā)展前景。

【關鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)；TCP/IP協(xié)議；嵌入式系統(tǒng)技術

1.工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

以太網(wǎng)（Ethernet）是一種擁有產(chǎn)品設計、沖突檢測、載波監(jiān)聽等多種功能接入的技術，既是計算機連接局域網(wǎng)絡的標準，又是互聯(lián)裝備共同分享數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。比如說在接入檢測沖突接口時，主機在檢測到線路空閑時才能發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是直接將數(shù)據(jù)發(fā)送。隨著以太網(wǎng)傳輸速率的大幅度提高，以太網(wǎng)被廣泛使用，形成了以太網(wǎng)集線器的技術領域。在以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議上，先進的網(wǎng)絡技術不斷碰撞、摩擦，最終形成了在工業(yè)網(wǎng)絡中低成本、高效控制的工業(yè)以太網(wǎng)技術。該項技術使用起來方便快捷且功能強大，可以把多項企業(yè)網(wǎng)絡層面連接起來，形成企業(yè)特殊的基于TCP/IP光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡的網(wǎng)上信息系統(tǒng)。

2.礦山應用工業(yè)以太網(wǎng)的必要性

目前，我國越來越多的礦井實施了礦山綜合信息化建設，已成為當代礦井開發(fā)的一種必然趨勢。參考已經(jīng)實施過的礦井的綜合信息化建設結果，可以發(fā)現(xiàn)凡是走礦井綜合信息化建設老路沒有創(chuàng)新改革和建設過程中信息軟件平臺臃腫的礦井單位，其最終的建設結果都是失敗的，所以這就需要樹立可靠、實用的信息化建設目標，對礦井生產(chǎn)加工時不能漏掉每一項安全檢查，在保證礦井安全的基礎上再談控制礦井的要求。因此，統(tǒng)一的軟件平臺、硬件傳輸平臺和管理平臺的建設是實現(xiàn)礦井綜合信息化建設的必經(jīng)步驟。紅嶺的有色礦業(yè)之前的網(wǎng)絡布線重復且復雜，傳輸效率也不高，所以，環(huán)形網(wǎng)的建設是相對合理科學的，將井上和井下的線路建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺，這樣既能夠滿足現(xiàn)代礦井信息建設的發(fā)展要求，又能夠利用工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢掌控整個紅嶺礦山的電子信息技術。此外，工業(yè)以太網(wǎng)采用信號傳輸和獨立的檢測系統(tǒng)也能夠無限制接入信息平臺。

3.基于TCP/IP光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡的設計目標

構建覆蓋全部礦井的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化、數(shù)字監(jiān)控安全化、企業(yè)管理信息化、信息管理集約化，利用統(tǒng)一的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺實現(xiàn)智能化、科學化的礦井管理是工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的設計的總體目標。通過信息技術、網(wǎng)絡技術的綜合利用把視頻、音頻、圖畫的現(xiàn)象呈現(xiàn)的眼前，達到綜合管理的目標，實現(xiàn)安全生產(chǎn)礦井的目標。在技術方面要有統(tǒng)一的技術標磚，既能夠確保技術指標標準，規(guī)范系統(tǒng)流程，又能夠保證系統(tǒng)軟件正常安全的運行；在實施過程和內(nèi)容中，要統(tǒng)一分配，組織明確，實施中突出實施重點、難點，投入時多加慎重，利用充足的機械裝備進行勘察檢測，滿足工作人員的基本需求，保證其工作環(huán)境不受干擾；在管理上，需要精簡機構，完善人員分配，結合現(xiàn)代化管理技術實現(xiàn)管理自動化、科學化；在系統(tǒng)調(diào)用上，要求用戶資料的規(guī)范性和詳細性，并保證用戶的安全性。

4.設計的原理

（1）工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構 環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)是綜合信息自動化控制平臺最主要的主干結構，主干網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是光纖，運用交換機進行工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。井上和井下可以設置多個環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)相連構成的信息網(wǎng)會成為安全的監(jiān)控中心。由于在礦井條件下，環(huán)境十分惡劣，惡劣的地理環(huán)境將會導致網(wǎng)絡的意外斷裂的風險升高，所以處于安全生產(chǎn)的需要，要求信息傳輸網(wǎng)絡鏈線路冗余。因此，使用環(huán)形以太網(wǎng)結構在很大程度上解決了網(wǎng)絡意外斷裂的可能，確保了以太網(wǎng)的安全性和可靠性。從生產(chǎn)上來看，其實環(huán)形網(wǎng)絡是一個簡單的網(wǎng)絡環(huán)，在任意一條網(wǎng)絡線路出現(xiàn)問題時都會有備用的線路使用傳輸，實現(xiàn)了以太網(wǎng)的高效可用性。（2）嵌入式系統(tǒng)技術 嵌入式系統(tǒng)是能夠完成一種或多種特定功能的計算機系統(tǒng)，具有高度靈活化、相應速度迅速、代碼簡便的特點，是軟硬件的緊密結合體，適用于多任務或任務限制的應用條件。與常規(guī)計算機系統(tǒng)不同的是，嵌入式系統(tǒng)技術的每一套嵌入系統(tǒng)的開發(fā)都有其針對性和目的性的聯(lián)系，也有著相應的特殊功能，不僅大大提高了傳輸效率更最大限度的發(fā)揮了硬件和軟件的作用。另外，在通信和控制領域內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)也發(fā)揮了不可替代的作用。

5.技術分析

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可分為信息層、控制層和設備層三層，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)打破了之前只在信息層采用以太網(wǎng)技術的缺陷，在控制層和設備層也采用了相當先進的以太網(wǎng)技術，基本來說，所有的PLC和I/O供應商都能夠提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)借口產(chǎn)品。工業(yè)以太網(wǎng)被廣泛使用后，控制器的作用被凸顯出來，既可位于現(xiàn)場控制又可遠程控制，打破了時間、地點的限制。目前，控制的遠程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來越廣泛，有的甚至已經(jīng)集成了Web服務器，并且允許在信息層的用戶也可以像處在控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態(tài)值，但在本質(zhì)上仍有著一定的差距。

圖1為工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)體結構圖，從圖中可以明顯看出，以太網(wǎng)是連接整個系統(tǒng)的總線。每個控制器中都有含有集成器技術，使得以太網(wǎng)擁有了兼容性和整體涵蓋性。CTP/IP已成為標準網(wǎng)絡協(xié)議，這是以太網(wǎng)正常運作的大腦，通過分配空間將內(nèi)部硬件從外部硬件中分離出來。圖中也指出遠程I/O模塊是實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的關鍵部分。通過軟件或者硬件的方式將成為TCP/IP協(xié)議最大的發(fā)展可能。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術使用越來越廣泛?；赥CP/IP光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議平臺，可大力發(fā)展嵌入式技術，嵌入式系統(tǒng)技術作為TCP/IP通信協(xié)議的關鍵點是未來發(fā)展最大的前景之一。將TCP/IP的通信協(xié)議棧與嵌入式微處理器相結合，應用以太網(wǎng)的技術標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的轉換，通過網(wǎng)絡接口通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡的連接和內(nèi)置軟硬件的功能，從而建立滿足各項要求的以太網(wǎng)。