關于以太網在工業自動化中的應用研究

　　摘要：本文對工業以太網的發展歷程以及包含的內容進行了介紹，分析了工業以太網的優勢，并對工業以太網與現場總線的融合進行了分析，并總結了工業以太網當前的應用場合。
　　關鍵詞：以太網 工業自動化 應用
　　中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　工業革命是自動化技術的助產士，正是由于工業革命的需要，自動化技術才沖破了卵殼，得到了蓬勃發展。同時自動化技術也促進了工業的進步，如今自動化技術已經被廣泛的應用于機械制造、電力、建筑、交通運輸、信息技術等領域，成為提高勞動生產率的主要手段。自動化技術發展的需求是從單機控制向工廠自動化FA、系統自動化方向發展，工廠自動化FA要求應用數字通信技術實現工廠信息縱向的透明通信。
　　
　　1 工業以太網
　　以太網技術最早由Xerox開發，后經數字設備公司、lntel公司聯合擴展，于1982年公布了以太網規范。IEEE802.3就是以這個技術規范為基礎制定的。按ISO開放系統互聯參考模型的分層結構，以太網規范只包括通信模型中的物理層與數據鏈路層。工業以太網技術源于普通以太網技術，為了促進以太網在工業領域的應用，國際上成立了工業以太網協會，工業自動化開放網絡聯盟等組織，目標是在世界范圍內推進工業以太網技術的發展、教育和標準化管理，在工業應用領域的各個層次運用以太網。美國電氣電子工程師協會 (IEEE)也正著手制定現場裝置與以太網通信的標準。這些組織還致力于促進以太網迸人工業自動化的現場級，推動以太網技術在工業自動化領域和嵌人式系統的應用。
　　工業以太網技術不僅包含了物理層與數據鏈路層的以太網規范，而且包含TCP/IP協議組，即包含網絡層的網際互聯協議lP、傳輸層的傳輸控制協議TCP、用戶數據包協議UDP等。有時甚至把應用層的簡單郵件傳送協議SMTP、域名服務DNS、文件傳輸協議FTP、再加上超文本鏈接HTTP、動態網頁發布等互聯網上的應用協議都與以太網這個名詞捆綁在一起。以太網是TCP/IP使用最普遍的物理網絡，實際上TCP/IP技術支持各種局域網絡協議，包括：令牌總線、令牌環、FDDI（光纖分布式數據接口）、SLIP（串行線路IP）、PPP（點到點協議）、X2.5數據網等。以太網+TCP/IP作為辦公網、商務網在IT行業中獨霸天下，其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統。但為什么近年來會逐步向自動化行業發展，形成與現場總線技術競爭的局面。
　　
　　2 工業以太網與現場總線
　　工業自動化行業將車間設備層稱為“現場（Field）”，一條通信電纜連接若干設備的通信網絡稱“總線(Bus)”，現場總線技術是計算機數字通信技術在自動化領域的應用，為車間底層設備信息及生產過程信息集成提供了技術平臺。現場總線與以太網的融合，在現場總線協議中，為提高傳輸效率，一般只定義七層協議中的物理層、數據鏈路層和應用層。為與以太網融合，通常在數據包前加入IP地址，并通過TCP來進行數據傳遞。如今的控制網絡中，以太網己經成為企業層和控制層的主要網絡技術。在工業數據通信與控制網絡中，直接采用以太網作為控制網絡的通信技術只是工業以太網發展的一個方面，現有的許多現場總線控制網絡提出了與以太網結合，用以太網作為現場總線網絡的高速網段，使控制網絡與Internet融為一體的解決方案。
　　 工業以太網可用的傳輸介質有TP（Twisted Pair，屏蔽雙絞線）、ITP（Industrial Twisted Pair，工業屏蔽雙絞線）、同軸電纜和光纖等。標準RJ-45和Sub-D接頭均可以用于連接。一個DTE（Data Terminal Equipment，數據終端設備）直接連接到網絡元件端口，而該設備負責將信號放大和轉發。在SIMATIC NET工業以太網中，這些網絡連接元件有OLM （Optical Link Module，光學鏈接模板）、ELM （Electric Link Module，電氣鏈接模板）、OSM（Optical Switch Module，光學交換機模板）、和ESM（Electric Switch Module，電氣交換機模板）。DTE與連接元件之間通過TP或ITP電纜連接，最遠距離可達到100M。
　　工業以太網能夠很好解決實時性的問題，PROFINET是由PROFIBUS國際組織推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。作為一項戰略性的技術創新，PROFINET為自動化通信領域提供了一套完整的網絡解決方案，囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題。同時，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術，保護現有投資。
　　
　　3 以太網在自動化領域應用現狀
　　車間級生產信息集成：主要由專用生產設備、專用測試設備、條碼器、PC機及以太網絡設備組成；主要功能是完成車間級生產信息及產品質量信息的管理。管理層信息網絡：即支撐工廠管理層MIS系統的計算機網絡。主要完成如ERP的信息系統。SCADA系統：特別是一些區域廣泛、含有計算機廣域網技術、無線通信技術的SCADA系統，如城市供水或污水管網的SCADA系統、水利水文信息監測SCADA系統等。個別的控制系統網絡：個別要求高可靠性和一定實時性的分布式控制系統也采用以太網+TCP/IP技術，并獲得很好的效果；如發電廠的計算機監控系統。
　　（1）采用以太網作為現場總線，可以保證現場總線技術的可持續發展。由于以太網的廣泛應用，使它的發展一直受到廣泛的重視和大量的技術投人，保證了以太網技術的不斷發展。如果工業控制領域采用以太網作為現場總線，將保證技術上的可持續發展，并在技術升級方面無需獨自的研究投入。
　　（2）由于以太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，它也受到硬件開發商的高度重視，這使得以太網系統的設計有廣泛的硬件產品可供選擇。
　　
　　4 結語
　　工業以太網與其它控制網絡比較的優勢：工業以太網可以滿足控制系統各個層次的要求，使企業信息網絡與控制網絡得以統一；設備成本下降；用戶擁有成本下降；以太網易與Internet集成。由于諸多的優勢，工業以太網在將來一定會廣泛應用。
　　
　　參考文獻
　　[1] 魏亞軍.工業以太網在冶金自動化控制系統中的應用[J].機械管