工業以太網實時通信技術及進展

鄧尚偉

【摘要】 隨著我國工業技術的飛速發展，工業通信方式也逐漸向自動化的方向發展。而將以太網運用到工業生產中來實現實時通信，但其實時性的實現仍舊是行業內研究的重點。本文就以太網運用與工業實時通信技術，結合對以太網通信機制和技術特點的分析進行討論，并提出一些解決方式。

【關鍵詞】 工業生產 以太網 實時通信技術 解決方案

伴隨著我國工業的迅速發展，以太網通信技術迅速進入到工業自動化生產的領域中，并在工業生產的各個環節中發揮了技術積累與擴大發展空間的作用。但事實上，運用以太網的工業通信技術在實時性上還存在一定的問題。下文就以太網的技術特點進行分析，并提出解決實時性通信的解決方案。

一、工業以太網的技術特點與適應性問題。

1.1以太網的不確定性

眾所周知，隨著通信技術的發展，以太網已經被廣泛運用在各種各樣的領域中。但因以太網使用的介質訪問方式采用的是CSMA/CD協議，導致其表現出實時性不高和非確定性的特征。也就是說，帶有沖突檢測的載波在監聽多路訪問的過程中，某一個節點想要發送報文時，會首先進行網絡監聽。但當網絡繁忙時，則要等到空閑時才能進行監聽，否則將會立即進行發送，而如果有兩個或者更多的節點監聽到網絡處于空閑時就會同時發送報文，勢必會造成沖突。因此，當每個節點在發送報文時，還需要繼續監聽網絡，當發生沖突出立即停止發送并等待網絡重新空閑時再進行發送。此時，不但傳輸數據的時間過長，甚至還可能存在傳送不到的情況，這也充分體現出以太網通信的不確定性和非實時性。

1.2以太網在工業環境中的適應性問題

事實上，以太網不能夠提供電源，所以在實際的運用過程中需要提供額外的電纜來供電，且以太網不是本質安全的系統。前面提到，以太網采用的是CSMA/CD協議的介質訪問方式，該種方式不能夠完全滿足工業生產可控制的實時性要求，具有很高的不確定性。因以太網的最初設計目的是運用商業領域，傳統上應用在辦公室和商業用途的以太網能夠解決現場總線之間互相不兼容、不同公司的控制器之間高速實時傳輸數據的目的，但應用在自動化的工業領域，還需要解決很多適應性的問題。

二、工業以太網實時性的解決方案

針對以太網的不確定性和環境適應性問題，對于工業控制領域來說是非常棘手的問題。尤其是在直接進行測控的生產過程現場設備方面，通信的實時性是當緊急狀態發生時，進行實時傳輸以及準確傳輸的必要條件，因此，我們必須針對工業以太網的實時性進行解決。

2.1降低網絡負荷以提高網絡傳輸速度

其實，以太網的數據沖突概率是隨著數據通信量的增加而增長的，在網絡中如果沒有過多的數據通信，發生發送報文沖突的概率就會較小。而實踐證明，當通信負荷達到25以下時，一般情況下以太網通信可以保持暢通；如果負荷只在5左右時，可以完全避免報文發送沖突。在工業控制領域中，當網絡負載低于或者等于10時，有部分方案會認為這種沖突是可以避免的，但實際上這些沖突仍然在發生，盡管概率非常低，但過低的網絡負荷會降低實際利用的以太網帶寬，從而不滿足經濟性和利用率。

2.2運用交換機提高網絡站點的帶寬

傳統的以太網利用的是共享式的集線器，這種共享式的集線器其結構和功能僅屬于物理層的中繼器。因此，當要將站點連接到共享式的集線器上來共享一個帶寬時，必須遵守以太網的介質訪問方式CSMA/CD協議來進行數據發送和接收。而以太網交換機屬于一個受控上多端口的開關矩陣，此時，各個端口的數據信息流都是相互隔離的，只有同時處于同一端口上的信息流傳送才會互相產生沖突。也就是說，此時的每一個端口都是一個沖突域，因此可以通過網絡負荷來進行測算，通過交換機的原理將網絡進行分割。將不同的端口分割以形成多個數據通道，此時，各個端口上的數據輸入和輸出就不再受到以太網介質訪問方式CSMA/CD協議的限制，從而實現提高網路各個站點帶寬的目標，然而這種方式的附加成本較高，運用在現場儀表時，其存儲和轉發也存在一定的延遲和不確定性，因此還有待改善。

結語：總的來說，以太網的發展將會逐漸迅速，將其運用于工業控制領域是近幾年來工控行業的研究焦點。隨著以太網產品和技術的不斷推廣，越來越多的技術和產品得到了改善，以太網應用在工控行業中的不確定性和非實時性還需要進行不斷的研究和解決。通過降低網絡負荷或者提高網絡傳輸速度的方式，亦或是利用以太網交換機來提高網絡中每個站點的帶寬的方式都能在一定程度上解決其不確定性和非實時性。相信在未來，以太網通信技術還能更好的發揮在工控行業中。

參 考 文 獻

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