工業以太網在西江引水工程的應用

朱錦榮

摘要：本文簡單介紹了以太網技術的發展；對以太網用于工業領域需解決的問題進行論述，并提出相應解決方法；進而通實例介紹了工業以太網在西江引水工程的應用。

關鍵詞：工業以太網；特點；西江引水工程

1.以太網介紹

以太網是由Xerox公司創建并由Xerox,Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范。以太網絡使用CSMA/CD(載波監聽多路訪問及沖突檢測技術)技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。

上世紀90年代，以太網得到了高速的發展，并吸納后推出了傳輸速率為100Mb/s快速以太網、1 Gb/s以太網和10 Gb/s速率以太網等高速以太網技術。以太網幀格式特別適合于傳輸IP數據包。隨著Internet的快速發展，以太網被廣泛使用。

2、以太網用于工業域存在的問題

以太網技術具有價格低廉、穩定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優點，已成為最受歡迎的通信網絡之一。但由于以太網是以辦公自動化為目標而設計的，并不完全符合工業環境和標準的要求，將傳統的以太網用于工控領域還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

（1）存在實時性差，不確定性的問題

傳統以太網采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD）,并且采用1堅持二進制質數后退算法（BEB）處理沖突。具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網絡節點要通過競爭來取得信息包的發送權。通信時節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發送后，還需要檢查是否發生碰撞，信息如發生碰撞，需退出重發，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性。

（2） 工業可靠性問題

由于以太網在設計之初是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮工業現場環境的適應性需要。在面對相對惡劣的工作環境，必然會引起其可靠性降低。由于工業環境對EMI(工業抗干擾)和ESD(工業抗震)的不同需求，對EMC（電磁兼容性）也提出更高的要求。在生產環境中工業網絡必須具備較好的可靠性，可恢復性，以及可維護性。即保證一個網絡系統中任何組件發生故障時，不會導致應用程序、操作系統，甚至網絡系統的崩潰和癱瘓。

（3） 安全性問題

以太網由于使用了TCP/IP協議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。沒有授權的用戶可能進入網絡的控制層或管理層，造成安全漏洞。

3．以太網工業應用的解決辦法

針對以上以太網工業用的缺陷和工業領域對工業網絡的特殊要求，除了選用能在惡劣的工業環境中可靠工作的工業級以太網設備外，目前已采用多種方法來改善網的性能和品質，已滿足工業領域的要求

（1）采用交換技術以避免數據沖突

通過交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設備的目標端之間提供了一個直接快速的點到點連接。不同端口可以形成多個數據通道，端口之間的數據輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。多個交換把整個以太網分解成許多獨立的區域，以太網的數據沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網的網絡性能和確定性。

（2） 采用高速以太網以降低沖突概率

隨著網絡技術的迅速發展，先后產生了高速以太網（100M）和千兆以太網產品和國際標準，10G以太網產品也已經面世。通過提高通信速度，可以有效降低網絡的負荷率，從而降低沖突概率。結合交換技術，再對網絡節點的數量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網作為工控網絡。

（3） 采用虛擬局域網技術

虛擬局域網（VLAN）的出現打破了傳統網絡的許多固有觀念，使網絡結構更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網絡用戶劃分為一個邏輯網段。局域網交換機的每一個端口只能標記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產生。

3、工業以太網在西江引水工程中的實例。

西江引水工程作為廣州市原水系統的重要組成部分，設置相對集中的運行子調度控制中心，接受廣州市供水調度中心的宏觀調度命令，并全面負責整個西江引水工程范圍內從取水、輸水、配水到受水廠的全過程輸配水生產調度及安全生產各措施，以滿足廣州市西北部地區凈水廠的原水供應需求。 在鴉崗配水泵站設立子調度中心，綜合實施安全生產全過程控制。 在取水泵站、鴉崗配水泵站分別設置泵站監控中心，貫徹子調度中心下達的有關指令，上報所屬設備的運行情況并對其實施控制調整操作；

以鴉崗配水泵站為例，在進行系統設計時主要以體現可靠性（安全性）、開放性（可擴展性）、經濟性（實用性）以及互聯性為原則。整個控制系統由一個公用主站和十二個現場控制站組成。

監控網絡結構選用1Gb/s 光纖以太環網，泵站內監控以及現場控制PLC均通過工業級網絡交換機掛接在以太網上，PLC通過現場總線和高低壓柜以及現場自控儀表進行數據通信。

十二個現場控制站（每臺水泵一個）設置在泵房內。每個現場控制站均設置一套具有邏輯控制功能、故障自診斷和自動切換功能的PLC(選用AB公司的COMPACTLOGIX 系列PLC)、操作員終端以及輔助設備能按要求或提供的參數進行調節，提供所屬設備運行的聯動、聯鎖和控制，提供設備的閉環運行控制，運行（遠控/就地/一步化）模式的切換。同時通過1Gb/s 光纖以太環網的數字通信將相關的診斷維護信息送往中央監控主站，并接受上位機的數據，作為調節和控制的依據。

公用主站可調用現場控制站的全部運行信息，并通過一定權限設定控制現場主要設備的啟停，實現整個泵站的調度管理。

4、小結

工業以太網以其特有的低成本，高實效，高擴展性及高智能的魅力，在各個行業中得到月越來越多的運用。隨著國際工業以太網標準的推出，以太網技術和通信技術的不斷發展，推動著工業以太網技術的進一步發展。由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到設備控制層，隨著工業以太網技術的發展將會取代現有的繼續現場總線的工業網絡，成為水行業工程網絡中的主流技術之一?！?/p>

參考文獻

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