發布日期：2022-07-14 點擊率：48
現場總線的出現，對于實現面向設備的自動化系統起到了巨大的推動作用，但現場總線這類專用實時通信網絡具有成本高，速度低和支持應用有限等缺陷，再加上總線通信協議的多樣性，使得不同總線產品不能互相互連，互用和互操作等，因而現場總線工業網絡的進一步發展受到了極大的限制。隨著以太網技術的發展，特別是高速以太網的出現使得以太網能夠克服了自己本身的缺陷，進入工業領域成為工業以太網,因而使得人們可以用以太網設備去代替昂貴的工業網絡設備。
1.以太網的主要缺陷
在講以太網的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網的通信機制。以太網是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸的網絡。它最早出現在1972年，由XeroxPARC所創建。當前以太網采用星型和總線型結構，傳輸速率為10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太網產生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術。在傳統的共享網絡中，由于以太網中所以的站點，采用相同的物理介質相連，這就意味著2臺設備同時發出信號時，就會出現信號見的互相沖突。為了解決這個問題，以太網規定，在一個站點訪問介質前，必須先監聽網絡上有沒有其他站點在同時使用該介質。如果有則必須等待，此時就發生了沖突。為了減少沖突發生的幾率，以太網常采用1-持續CSMA，非持續CSMA，P-持續CSMA的算法2。由于以太網是以辦公自動化為目標設計的，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業領域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業網絡低，技術透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協議為各現場總線廠商大開了方便之門，但是，要使以太網符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷：
確定性
由于以太網的MAC層協議是CSMA/CD，該協議使得在網絡上存在沖突，特別是在網絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業網絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發數據，使得網間通信的不確定性大大增加。在工業控制網絡中這種從一處到另一處的不確定性，必然會帶來系統控制性能的降低。
實時性
在工業控制系統中,實時可定義為系統對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發生后，系統必須在一個可以準確預見的時間范圍內做出反映。然而，工業上對數據的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數據的更新是在數十ms內完成的。而同樣由于以太網存在的CSMA/CD機制，當發生沖突的時候，就得重發數據，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一但出現掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產的停止甚至是設備，人身安全事故。
可靠性
由于以太網在設計之初，并不是從工業網應用出發的。當它應用到工業現場，面對惡劣的工況，嚴重的線間干擾等，這些都必然會引起其可靠性降低。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。
2.以太網工業應用解決機制
針對以太網存在的三大缺陷和工業領域對工業網絡的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網的性能和品質，以滿足工業領域的要求。下面介紹幾種解決機制：
交換技術
為了改善以太網負載較重時的網絡擁塞問題，可以使用以太網交換機(switch)。它采用將共享的局域網進行有效的沖突域劃分技術。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發生，提高系統的確定性，但該方法成本較高，在分配和緩沖過程中存在一定的延時。
高速以太網
我們知道當網絡中的負載越大的時候，發生沖突的慨率也就越大。有資料顯示當一個網絡的負菏低于36%時，基本上不會發生沖突，在負荷為10%以下時，10M以太網沖突機率為每五年一次。100M以太網沖突機率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發生沖突的慨率是以幾何級數的速度增加的。顯然提高以太網的通信速度，就可以有效降低網絡的負荷。幸運的是現在以太網已經出現通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網，在加上細致全面的設計及對系統中的網絡結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業網絡。
IEEE1588對時機制
IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協議(PTP)。此協議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網絡通信時同步控制信號產生一定的波動時，它所達到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網的系統。通過采用這種技術，以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。此外，在企業的各層次中使用基于以太網TCP/IP協議的網絡技術有著巨大的優勢。
一個包括IEEE1588對時機制的簡單系統至少包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據最優化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統或現存的主時鐘與網絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。如果多個PTP子系統需要互聯，則必須由邊界時鐘來實現。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統相聯，并且為整個系統提供時鐘標準。因此這個子系統的主時鐘是整個系統的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時鐘的端口對子系統來說是普通時鐘。
IEEE1588所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現在已經有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。
3.工業以太網的前景和展望
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，吸引著越來越多的制造業的廠商。一方面如此眾多的廠商研制和開發工業以太網技術，如果不加以統一分規范，象現場總線的情況一樣，標準眾多，兼容性差，繼而影響到工業以太網的發展。正是如此，國際社會已經開始著手制定一個工業以太網標準。在2004.5北京召開的國際工業以太網系列標準起草工作組(IEC/SC65C/WGs)第三次會議上,我們已經能夠看到一個初具雛行的工業以太網國際標準,該系列標準將于2005.8定稿,經過2006.2和二次意見征求后,于2007年下半年正式發布。使得該系列標準從IS標準成為IEC標準6。另一方面，以太網和通信技術的突飛猛進也促使工業以太網技術進一步發展。現在工業以太網技術已經開始向實時工業以太網和無線工業以太網的方向發展。特別是奧地利貝加萊(B&R)已經開發出具有真正意義上的實時以太網(EthernentPowerlink)，而不久的將來，面向未來工業網絡的新一代工業以太網組件也將出現。由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業現場設備控制層，隨著工業以太網技術的發展將會取代現在的基于現場總線的工業網絡，成為工業網絡中的主流技術。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： Ethernet/IP 與 Ether
