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論工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展
論文關(guān)鍵詞:以太網(wǎng)；特點(diǎn)；趨勢(shì)；全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)
論文摘要:工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)之后產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)，并詳細(xì)論述了工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀以及以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并提出了以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)。
傳感器技術(shù)、技術(shù)和技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化要求的不斷提高，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所擔(dān)負(fù)的工作越來(lái)越重。與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)不同，工業(yè)控制領(lǐng)域需要一種高速廉價(jià)、實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性好、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高的網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開(kāi)放性高和支持設(shè)備等多方面的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)放性使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫整合方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
一、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)
以太網(wǎng)技術(shù)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。近些年來(lái),隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開(kāi)放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：
�。ㄒ唬〦thernet是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。
�。ǘ┮蕴W(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。
（三）軟硬件低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開(kāi)發(fā)和硬件設(shè)備供用戶選擇。
�。ㄋ模┩ㄐ潘俾矢撸S著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對(duì)信息量的需求也越來(lái)越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快很多。
�。ㄎ澹┛沙掷m(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。
二、工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀
工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，它能提供一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，是企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制到管理層實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)縫的信息集成，解決了由于協(xié)議上的不同導(dǎo)致的“自動(dòng)化孤島”問(wèn)題，但從目前的發(fā)展看，工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾種形式。
�。ㄒ唬┗旌螮thernet/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的一種典型的集成形式。以太網(wǎng)正在逐步向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)深入發(fā)展，并盡可能的和其他網(wǎng)絡(luò)形式走向融合，但以太網(wǎng)和TCP/IP原本不是面向控制領(lǐng)域的，在體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議規(guī)則、介質(zhì)、數(shù)據(jù)、軟件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等諸多方面并不成熟，而現(xiàn)場(chǎng)總線能完全滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)底層控制網(wǎng)絡(luò)的基本要求，實(shí)現(xiàn)真正的全分布式系統(tǒng)。因此，在企業(yè)信息層采用以太網(wǎng)，而在底層設(shè)備級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線，通過(guò)通信控制器實(shí)現(xiàn)兩者的信息交換。
（二）專用工業(yè)以太控制網(wǎng)絡(luò)
如何利用以太網(wǎng)單獨(dú)作為控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向之一，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。如德國(guó)Jetter AG公司的新一代控制系統(tǒng)JetWeb，是融現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、100Mb/s以太網(wǎng)技術(shù)、CNC技術(shù)、PLC技術(shù)、可視化人機(jī)接口技術(shù)和全球化生產(chǎn)技術(shù)為一體的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，同時(shí)具有廣泛的兼容性，可兼容第三方自動(dòng)化控制產(chǎn)品，提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)，是取代所有底層現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是將以太網(wǎng)貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層次，使它成為透明的覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體。它實(shí)現(xiàn)了辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無(wú)縫結(jié)合，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單層的扁平結(jié)構(gòu)，其良好的可擴(kuò)展性和互連性，使之成為真正意義上的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的大統(tǒng)一。
（三）基于Web的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)
嵌入式以太網(wǎng)是最近網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用熱點(diǎn)，就是通過(guò)Internet使所有連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備彼此互通，從、PDA、設(shè)備到儀器儀表、家用電器等。在企業(yè)內(nèi)部，可以利用企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行工廠實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布和顯示，管理者通過(guò)Web瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試和遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷和處理。實(shí)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單辦法就是采用獨(dú)立的以太網(wǎng)控制器，連接具有TCP/IP界面的控制主機(jī)以及具有RS-232或RS-485接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。以太網(wǎng)控制器在這里扮演了通用和現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備之間的一個(gè)橋梁。
三、以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
以太網(wǎng)和通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)，促使工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的趨勢(shì)。從目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用�？偟膩�(lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
�。ㄒ唬┕I(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究還只是近幾年才引起國(guó)內(nèi)外工控專家的關(guān)注。而現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，在上也開(kāi)始了全面推廣，并且形成了一定的市場(chǎng)。就目前而言，全面代替現(xiàn)場(chǎng)總線還存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。
�。ǘ┕I(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信已成大勢(shì)所趨
隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而消除了以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能。為此，國(guó)際電工委員會(huì)IEC正著手起草實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(Real-time Ethernet, RTE)標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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