工業(yè)以太網(wǎng)介紹及與普通以太網(wǎng)區(qū)別

1.以太網(wǎng)的主要缺陷

在講以太網(wǎng)的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機(jī)制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。它最早出現(xiàn)在1972，由XeroxPARC所創(chuàng)建。當(dāng)前以太網(wǎng)采用星型和總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統(tǒng)的共享網(wǎng)絡(luò)中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著2臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出信號時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號見的互相沖突。為了解決這個(gè)問題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個(gè)站點(diǎn)訪問介質(zhì)前，必須先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上有沒有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。如果有則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少?zèng)_突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)CSMA的算法2。由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場總線廠商大開了方便之門，但是，要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷：

1.1 確定性

由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大時(shí)，更加明顯。對于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處的不確定性，必然會(huì)帶來系統(tǒng)控制性能的降低。

1.2 實(shí)時(shí)性

在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對某事件的反應(yīng)時(shí)間的可測性。也就是說，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見的時(shí)間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備，人身安全事故。

1.3可靠性

由于以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，面對惡劣的工況，嚴(yán)重的線間干擾等，這些都必然會(huì)引起其可靠性降低。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性，可恢復(fù)性，以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

2.以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用解決機(jī)制

針對以太網(wǎng)存在的三大缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求。下面介紹幾種解決機(jī)制：

2.1 交換技術(shù)

為了改善以太網(wǎng)負(fù)載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，可以使用以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)。它采用將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個(gè)沖突域之間用交換機(jī)連接，以減少CSMA/CD機(jī)制帶來的沖突問題和錯(cuò)誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)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(shí)。

2.2 高速以太網(wǎng)

我們知道當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載越大的時(shí)候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。有資料顯示當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)菏低于36%時(shí)，基本上不會(huì)發(fā)生沖突，在負(fù)荷為10%以下時(shí)，10M以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每15年一次。但超過36%后隨著負(fù)荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。幸運(yùn)的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達(dá)100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細(xì)致全面的設(shè)計(jì)及對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

2.3 IEEE1588對時(shí)機(jī)制

IEEE1588定義了一個(gè)在測量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議(PTP)。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達(dá)微秒范圍。它使用時(shí)間印章來同步本地時(shí)間的機(jī)制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)同步控制信號產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達(dá)到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。通過采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運(yùn)行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達(dá)到的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢。

一個(gè)包括IEEE1588對時(shí)機(jī)制的簡單系統(tǒng)至少包括一個(gè)主時(shí)鐘和多個(gè)從屬時(shí)鐘。如果同時(shí)存在多個(gè)潛在的主時(shí)鐘，那么活動(dòng)的主時(shí)鐘將根據(jù)最優(yōu)化的主時(shí)鐘算法決定。所有的時(shí)鐘不斷地與主時(shí)鐘比較時(shí)鐘屬性，如果新時(shí)鐘加入系統(tǒng)或現(xiàn)存的主時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)斷開，則其他時(shí)鐘會(huì)重新決定主時(shí)鐘。如果多個(gè)PTP子系統(tǒng)需要互聯(lián)，則必須由邊界時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)。邊界時(shí)鐘的某個(gè)端口會(huì)作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián)，并且為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。因此這個(gè)子系統(tǒng)的主時(shí)鐘是整個(gè)系統(tǒng)的原主時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘的其他端口會(huì)作為主端口，通過邊界時(shí)鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統(tǒng)。邊界時(shí)鐘的端口對子系統(tǒng)來說是普通時(shí)鐘。

IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無需再進(jìn)行專門的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優(yōu)點(diǎn)是其標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當(dāng)中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標(biāo)準(zhǔn)，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。

3.典型工業(yè)以太網(wǎng)

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及它的80%的市場占有率和現(xiàn)場總線的明顯缺陷，促使工控領(lǐng)域的各大廠商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品且兼容性強(qiáng)的工業(yè)以太網(wǎng)。其中應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)之一是德國西門子公司研發(fā)的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)。它提供了開放的，適用于工業(yè)環(huán)境下各種控制級別的不同的通信系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)均基于國家和國際標(biāo)準(zhǔn)，符合ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型。SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)主要體系結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)硬件，網(wǎng)絡(luò)部件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通行處理器和SIMATIC NET軟件等部分組成。