以太網應用于工業現場的關鍵技術

　　(1)工業以太網通信的實時性

　　為滿足工業過程控制要求，工業以太網必須具有很高的實時性。但是，長期以來，Ethernet通信響應的“不確定性”是它在工業現場設備中應用的致命弱點和主要障礙之一，這里的“不確定”是指由CSMA/CD機制造成數據傳輸的響應和時延的“不可預測和再現”。

　　但隨著以太網帶寬的迅速增加(10/100/1000Mbs)，沖突幾率大大減小，加之相關技術的應用，數據傳輸的實時性不斷提高，也使以太網逐漸趨于確定性;因而，有些國外自控專家認為：基于良好設計的以太網系統是確定性的實時通信系統。經研究表明，經過精心的設計，工業以太網的響應時間小于4ms，可滿足幾乎所有工業過程控制要求。在工業以太網中，實現實時性的機制主要包括如下幾個方面：交換式集線器、全雙工(Full-Duplex)通信模式、虛擬局域網(VLAN)技術等等。

　　(2)工業以太網質量服務(QoS)

　　QoS是網絡的一種安全機制。在正常情況下并不需要QoS，但在工業以太網中采用QoS技術，可以為工業控制數據的實時通信提供一種保障機制;當網絡過載或擁塞時，QoS 能確保重要控制數據傳輸不受延遲或丟棄，同時保證網絡的高效運行。

　　擁有QoS的網絡是一種智能網絡，它可以區分實時-非實時數據。在工業以太網中，可以使用QoS識別來自控制層的擁有較高優先級的采樣數據和控制數據，優先得到處理并轉發;而其它擁有較低優先級的數據，如管理層的應用類通信，則相對被延后。智能網絡還有能力制止對網絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現場控制單元和監控單元的終端等，這對于工業以太網的完全性提升有重要作用。為了實現這種智能，具有QoS的網絡應包含三個過程： ①分類――具有QoS的網絡能夠識別哪種應用產生哪種分組。沒有分類，網絡就不能確定對特殊分組要進行的處理。② 標注化――在識別分組之后，要對它進行標注，便于其它網絡設備方便地識別這種數據。③優先級――優先級處理可以確保工業過程控制的采集數據和控制數據在網絡發生突發高負載時，仍能優先得到轉發而不至于產生延遲。

　　(3)工業以太網的網絡生存性

　　所謂網絡生存性，是指以太網應用于工業現場控制時，必須具備較強的網絡可用性，如果任何一個系統組件發生故障，都會導致操作系統、網絡、控制器和應用程序以至于整個系統的癱瘓，則說明該系統的網絡生存能力非常弱。工業以太網的生存性或高可用性包括可靠性、可恢復性、可管理型等三幾個方面的內容。

　　在工業以太網中，網絡的可靠性非常重要，需要采取冗余設計，同時還必須有一個快速的故障探測和自恢復機制以保障網絡的可用性。首先CONTROL ENGINEERING China版權所有，故障探測和自恢復機制必須是快速響應的，如果網絡的恢復時間過長，就不能保證網絡的實時性。其次，必須限制網絡故障的傳播，將其對其他傳輸設備和網段的影響最小化，即除故障點外，其它網段仍能正常工作。

　　在透明的交換式以太網中，故障探測和自恢復工作實際上就是在該層重新建立拓撲結構，以實現交換機在MAC層的路由功能。目前普遍使用是IEEE802.1D標準。在局域網內的交換機執行了生成樹算法以后，會組成一個動態的生成樹拓撲結構，該拓撲結構使局域網內任意兩個工作站之間不存在回路，以防止由此產生的局域網廣播風暴，同時，生成樹算法還負責監測物理拓撲結構的變化，并能在拓撲結構發生變化之后建立新的生成樹。例如當一個交換機出現故障或某一條鏈路斷了后，能提供一定的容錯能力而重新配置生成樹的拓撲結構。交換機根據生成樹動態拓撲結構的狀態信息來維護和更新MAC路由表，最終實現MAC層的路由。

　　(4)工業以太網的網絡安全

　　以太網和TCP/IP的優勢在于其在商業網絡的廣泛應用以及良好的開放性，同時也更容易受到自身技術缺點和人為的攻擊。對于工業以太網CONTROL ENGINEERING China版權所有，安全問題需考慮來自內部和外部兩個方面，其安全功能需滿足：防范來自外部網絡的惡意攻擊，限制外部網絡非信任終端對內部網絡資源的訪問，防止來自內部網絡的攻擊以及對控制域資源的非授權訪問，提供工程人員和設備供應商遠程故障診斷和技術支持的保障機制。內網絡的安全主要是防止本地用戶對設備控制域系統的非法訪問，外網絡安全則是防止外部非法用戶訪問內部網絡上的資源和非法向外傳遞內部信息，保證企業內外通信的保密性、完成性和有效性。

　　在工業以太網中可以采取的基本安全技術主要有三個方面，即加密技術、鑒別交換技術和訪問控制技術，防火墻技術就是訪問控制技術的一種具體體現。

　　(5)總線供電與安全防爆技術

　　所謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供工作電源。總線供電可以減少網絡線纜，降低安裝復雜性與費用，提高網絡和系統的易維護性。特別是在環境惡劣與危險場合，“總線供電”具有十分重要的意義。對現場設備的“總線供電”可采用以下方法：①將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將信號分離出來。②不改變以太網物理層協議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供工作電源。第一種方法雖然可實現與FF等現場總線相一致的“一線二用”，但由于這種方法與傳統以太網在物理介質上傳輸的信號在形式上已不一致，應保證修改協議后的以太網在物理層上與傳統Ethernet兼容。

　　在易燃、易爆的場合，工業現場的智能裝備以及通信設備都必須采取一定的防爆技術措施來保證工業現場的安全生產。現場設備的防爆技術主要包括兩類，即隔爆型(如增安、氣密、澆封等)和本質安全型。以太網系統的本質安全包括幾個方面，即工業現場以太網交換機、傳輸媒體以及基于以太網的變送器和執行機構等現場設備。由于目前以太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在六、七十毫安(5伏工作電源)，基于以太網的低功耗現場設備和交換機設計比較困難。相比較而言，在目前的技術條件下，對以太網系統采用隔爆防爆的措施比較可行。即通過對以太網現場設備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使設備本身的故障產生的電火能量不會外泄，以保證系統使用的安全性。

　　(6)互可操作性

　　互可操作性是指連接到同一網絡上不同廠家的設備之間通過統一的應用層協議進行通信與互用，性能類似的設備可以實現互換。要解決基于以太網的工業現場設備之間的互可操作性問題，一種有效的方法就是在以太網+TCP(UDP)/IP協議的基礎上，制訂統一并適用于工業現場控制的應用層技術規范，同時可參IEC有關標準，在應用層上增加用戶層，將工業控制中的功能塊FB(Function Block)進行標準化，通過規定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數，并把它們組成為可在某個現場設備中執行的應用進程，便于實現不同制造商設備的混合組態與調用。