工業自動化中以太網的應用與發展

摘要：隨著網絡信息化技術的不斷發展，工廠設備自動化程度日益提升，自動化控制水平已經成為了影響工廠發展的重要因素。文章首先對工業自動化中以太網的具體應用進行了探討，然后對以太網在工業自動化中的發展前景進行了分析。

關鍵詞：工業自動化；以太網；網絡信息化技術；工廠設備自動化；自動化控制水平 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP393 文章編號：1009-2374（2016）26-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.020

1 案例介紹

某工廠二號高爐電氣改造時，使用了Modbus-TCP工業以太網和昆騰984可編程控制器代替同類別的低級產品。高速線材和棒材都用了當前比較常用的PROFINET和S7-400PLC工業以太網，實現了各制造產品之間的自動化通信，通過優化分布式自動化系統，極大地降低了調試費用和配置費用，提高設備操作、維護的便利性。工業以太網是在IEEE802.3基礎規范上發展而來的，工業以太網技術包括了數據鏈路層和物理層，并且包含了TCP/IP協議組，有時可以將應用層建安郵件傳送協議SMTP、傳輸協議FTP、域名服務DNS文件、超文本鏈接HTTP動態網頁發布等協議都捆綁在一起。

2 將以太網應用在工業自動化中

2.1 實現協議瀏覽

在工業自動化領域中使用以太網的主要目的為將協議變得更加開放，使不一樣廠家的以太網產品可以實現有效連接，與現場總線標準制定程序中發生的狀況是相同的，與不同群體和不同廠家制定出的以太網使用標準是不同的。所有的標準都具有相同的底層，受應用層不同的影響而存在著一定的差異。以太網協議主要包括以下四個方面的內容：

2.1.1 1999年Scheider Automation公司發布了MODBUS/TCP協議。該協議的主要內容是在TCP協議上捆綁MODBUS總線協議。在工業領域中，MODBUS和TCP得到大面積的普及，可以實現有效的連接，但也存在一定的缺點，一般性的網絡新技術在MODBUS無法獲得有效支持，導致用戶不得不手動對一些參數進行重新設置。

2.1.2 TCP和MODBUS協議中的不足被分布式自動化接口所識得，也就是IDA，Scheider Automation公司發布的ISAEXPO/2000可以對分布式自動化接口進行有效的支持，同時Sick、Phoenix Contect、Lenze、Kuka Roboter以及Jetter都可以對分布式自動化接口進行有效的支持。定購方模型和發布方模型是IDA的核心內容，在對數據進行發送的時候，可以不對接收方的詳細地址進行設置，發布方只是對單一的事件或者是主題進行發送，對主題的接收方進行預訂接收信息，對于額外的信息不需要進行考慮，使網絡資源消耗較少，使時間得到有效同步。

2.1.3 1998年后HSE現場總線基金會的H2網使用以太網做基本協議，使構成的以太網協議具有比較高速的特點。以太網協議具有較強的先進性，可以對對象模型、定購方模型和發布方模型進行完整的提供，是可以在現場設備級協議中進行使用的模型，在過程控制領域中得到了廣泛的使用。

2.1.4 Control Net International所發布的IP或者是ETHERNET不屬于Internet協議的范圍，它主要是指工業協議。此協議將DeviceNet和ControlNet中信息協議和控制的應用層全部都轉移到TCP中。在對工業控制設備進行設計的時候，主要是使用對象策略并對其提供有效的消費者模型和制造者模型。協議主要提供明示和暗示兩種信息，一次性數據傳遞的場合比較適合使用明示信息；在比較規則、多次重復傳遞數據的場合中比較適合使用暗示信息。

2.2 產品的現實情況

2.2.1 使用的IP協議或者是Ethernet協議產品主要是指由Rockwell/Automation公司生產的FlexI、Processlogix或者是Controlllogix產品，這樣就可以使控制和實時性的要求得到滿足，速度可以達到100Mbps以上。

2.2.2 能夠較好實現冗余以太環網技術的公司為德國Hirschmann公司生產的RT1-TP/FL集線器，該技術主要支持的終端設備包括機器人、I/O模塊、計算機、DCS以及PLC等。冗余以太環網也可以使用RT2-TX/FX交換機來進行實現，主干網的速度非常快，可以達到100Mbps以上。

2.2.3 SST公司出產的NetGateWay網關，擁有4個串口、2個以太網口和Stron-gARM處理器，處理器可以實現內置200MHz的，同時可以將2塊PC/104接口卡插接進去并保持2個獨立的系統。用戶從辦公室可以直接接入到工業自動化系統中，主要是通過NetGateWay實現的。

2.2.4 Automationdirect.com公司可以把配備以太網卡的PC與DL405或者是DL205多插槽I/O集中器進行有效連接，從而形成了PC基控制系統，這主要是使用了H4-EBC或者是H2-EBC以太網基控制器。在DL405和DL205進行混合使用的時候，通過En-tivity公司出產的Think&Do組態軟件來進行混合應用和支持的。

以往以太網的不確定性可以通過使用Automationdirect.com公司提供的Master/Slave傳送協議進行較好的處理，同時可以將多個I/O集中器與以太網HUB進行有效連接。詳見圖1所示：

2.2.5 西門子公司出品的具有較強控制中心作用的工業以太網為SIMATICNE，具有比較完善的LAN/FIELDBUS結構，也是全集成自動化系統的核心內容，給工業通信提供了完善的部件和網絡技術支持。SIMATICNET的網絡通信包括過程或現場通信、數據通信以及IT通信三個層次的內容。過程或現場通信將傳感器和執行器接入到自動化系統中，SIMATICNET主要使用了AS-I接口和PROFIBUS-DP現場總線；數據通信將智能設備和自動化設備之間的數據進行了良好的轉換；IT通信借助以太網將SIMATIC集成到辦公自動化的體系中。

2.3 在工業自動化領域中的使用情況

就目前情況來說，在工業自動化中使用以太網主要體現為兩種結構類型，分別是設備中心網絡結構和控制中心網絡結構，如圖2所示。在控制結構中，以太網主要在企業網上層應用，將操作員站、控制器、管理計算機連接到一起，在企業網的底部還使用現場總線的連接形式，建立了簡潔的LAN/Fieldbus網絡結構。I/O設備與以太網和以太網兼容的I/O數據集中器進行了較好的連接。在這樣的結構類型中，現場總線被以太網所取代，從而形成的以太網結構包括了企業網的底層和上層。

3 我國工業自動化領域中使用以太網的情況

我國的網絡市場和PLC行業在發展的過程中具有較強的落后性，如今，我國對PLC行業的發展非常關注，并將儀表行業的發展規劃成國家發展的核心內容。有的企業在自動化系統和PLC行業中將現場總線技術進行了充分的利用，現場總線技術的標準和技術水平都比較成熟，國際上的團體和公司已經將現場總線的專利技術進行了壟斷。隨著以太網在工業領域的不斷興起和使用，我國控制系統和PLC技術都獲得了良好的發展機會，不斷對工業以太網技術進行積極研究，可以在工業系統產品和儀表行業中獲得一定的獨立知識產權。有部分企業已經對工業以太網技術產品進行了不斷研發，其中具有典型代表的企業如下：

3.1 北京和利時工控公司

該公司擁有屬于自己的MACS-SCADA大型綜合監控系統知識產權，使子系統和骨干網實現了高速交換，對本地監控網絡和以太網進行了結構分層，借助利時公司的MACS軟件體系中多子系統和多專業系統對大范圍的地方實現了全面的監控。在與第三方進行連接的時候，可以使用交換器和網關進行有效的連接。

3.2 上海新華控制工程公司

該公司經過不懈的努力研發出了屬于自己的分布式控制系統，即XDP-400系統。整個系統的結構都具有較強的開放性，比如人機接口、通信網絡以及控制單元等。在對控制單元進行連接的時候，主要使用冗余的實時數據高速公路，模件是控制單元的核心內容，同時還配備以太網卡，網絡速度比較快可以達到10Mbps以上。

4 結語

綜上所述，我國工業自動化中對以太網的應用還處于發展初期，還有很多的工作需要完善。隨著以太網在工業領域中的應用不斷成熟，其應用前景也會越來越廣泛。針對以太網在工業領域應用過程中存在的問題，只需要根據以太網的基本原理，結合工業現場控制的基本情況就可以很好地解決。

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].機械管理開發，2009，（1）.

[2] 姚琳.工業以太網概述及方案簡介[J].電子設計技術，2009，（8）.

作者簡介：韓松濤（1982-），男，四川樂山人，四川漢唐騰輝科技有限公司工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。

（責任編輯：蔣建華）