淺析工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

廣東省梅州市磁性材料廠 涂 銳

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淺析工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

廣東省梅州市磁性材料廠 涂 銳

【摘要】本文主要介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的特點及其在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)場總線；以太網(wǎng)

1 工業(yè)以太網(wǎng)簡介和優(yōu)點

工業(yè)以太網(wǎng)源于以太網(wǎng)技術(shù)。20世紀(jì)70年代 Xerox、Dec、Intel等公司聯(lián)合推出了以太網(wǎng)。80年代中期，IEEE在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，制定了IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)，通俗的講就是應(yīng)用于工業(yè)的以太網(wǎng)，是指其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容。工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。與商用的以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)主要是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用了交換以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，針對工業(yè)生產(chǎn)的需求進行多方面的改進。

2 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點

工業(yè)以太網(wǎng)之所以能迅速成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主流，不僅僅是因為它用途廣泛，最重要的原因是它具備以往控制系統(tǒng)不具備的優(yōu)點。

2.1 系統(tǒng)開放性好

工業(yè)以太網(wǎng)基于TCP/IP協(xié)議，是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。解決以網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)各廠商協(xié)議不同不能通信的弱點。工業(yè)以太網(wǎng)支持大多數(shù)編程語言，如JAVA，Visual C++，更容易對系統(tǒng)進行二次開發(fā)。

2.2 更高的數(shù)據(jù)傳輸率

工業(yè)以太網(wǎng)以計算機以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，支持數(shù)據(jù)傳輸率可達10Mbit/s、100Mbit/s、10Gbit/s。

2.3 與信息網(wǎng)絡(luò)無縫連接

工業(yè)以太網(wǎng)與Internet/Intranet通信協(xié)議相同，能夠?qū)崿F(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，共享數(shù)據(jù)。與遠程web技術(shù)結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程監(jiān)控、遠程設(shè)備管理、遠程軟件維護和遠程設(shè)備診斷。

2.4 通信傳輸介質(zhì)豐富

以太網(wǎng)支持多種傳輸介質(zhì)，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無線等?？筛鶕?jù)帶寬、距離、價格等因素合理選擇。且工業(yè)以太網(wǎng)支持總線型結(jié)構(gòu)、星型拓撲結(jié)構(gòu)、環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)、混合性拓撲結(jié)構(gòu)，可擴展性強，對于重要的通信線路可采用多種冗余連接方式提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3 主流的工業(yè)以太網(wǎng)

目前主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有五個，分別是Ethernet/IP、Profinet、Powerlink、EtherCAT、Sercosiii。其中應(yīng)用較廣的有Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT三種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，還要介紹一下我國的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議EPA。

3.1 Ethernet/IP

EtherNet/IP是一個開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 2000年初始發(fā)布，它是通過以太網(wǎng)技術(shù)，基于常規(guī)的TCP/IP協(xié)議，并帶有可選的UDP/IP對象嵌入?yún)f(xié)議，CIP經(jīng)由以太網(wǎng)公用接口協(xié)議，傳輸I/O數(shù)據(jù)，組態(tài)與診斷，形成一個中心星型控制網(wǎng)絡(luò)。EtherNet/IP提高了設(shè)備間的互操作性。

3.2 Profinet

德國西門子公司于2001年發(fā)布了該協(xié)議，它是將原有的Profibus與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，形成了PROFINET的網(wǎng)絡(luò)方案。它基于組件對象模型的分布式自動化系統(tǒng)，規(guī)定了Profinet和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。Profinet采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP十以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理Proxy與Profinet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象間的調(diào)用。

3.3 EtherCAT

2003年，由Beckoff公司開發(fā)，它是一個以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。EtherCAT協(xié)議針對過程數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，它被直接傳送到以太網(wǎng)幀，或被壓縮到UDP/IP數(shù)據(jù)報文中。UDP協(xié)議在其它子網(wǎng)中的EtherCAT網(wǎng)段由路由器進行尋址的情況下使用。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達到了一個新的高度，比如1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間，因此EtherCAT適用于高精度設(shè)備同步。

3.4 EPA

EPA（工業(yè)測量與控制系統(tǒng)）是我國制定的第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)。2005年3月，我國制定的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范被國際電工委員會發(fā)布為IEC/PAS 62409標(biāo)準(zhǔn)。這是我國自動化領(lǐng)域第一個被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收和發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。EPA是一個分布式系統(tǒng)簡單的說是將若干個小系統(tǒng)、設(shè)備連接起來共同完成工業(yè)測量與控制。它的優(yōu)點有適用于各種拓撲結(jié)構(gòu)、速率高、支持多種應(yīng)用場合、實時通信和可靠性通信、無線通信等。

4 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用實例

本公司有20臺150噸液壓成型機進行鐵氧體磁體成型工作，以前每臺液壓機單獨工作，每臺液壓機由機內(nèi)的PLC（西門子cpu226cn）控制工作，由于本公司磁體品種繁多，每次換產(chǎn)品生產(chǎn)時，都要經(jīng)過手持設(shè)備或觸控屏更改設(shè)備較多工藝參數(shù)，技術(shù)員每次轉(zhuǎn)產(chǎn)時都很忙而且很容易出錯，逐一檢查工藝參數(shù)要花費大量時間，給生產(chǎn)帶來很大困擾。如圖1，通過使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)后，每臺液壓機做為下位機通過以太網(wǎng)模塊（西門子cp243-1）使用屏避雙絞線接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機（MOXA ES-1026 24口），將它們放在一個IP的地址段內(nèi)最好是一個單獨的VLAN中，各下位機PLC的網(wǎng)關(guān)設(shè)為上位機計算機的IP地址，整個控制全部由上位機計算機利用組態(tài)軟件WinCC進行控制。改造完成后，技術(shù)員在熟悉系統(tǒng)軟件后可利用上位機靈活、準(zhǔn)確的控制各臺液壓機的工藝參數(shù)，并可以遠程監(jiān)控每臺機的工作情況及工藝參數(shù)變化，大幅提高了本公司產(chǎn)品成型的合格率和效率。

圖1

5 結(jié)束語

目前工業(yè)以太網(wǎng)已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要趨勢，未來在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用會更加廣泛，同時工業(yè)以太網(wǎng)還存在很多問題，比如網(wǎng)絡(luò)安全問題、各工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用層兼容問題、實施成本問題等。

參考文獻

［1］杜品圣.工業(yè)以太網(wǎng)原理與應(yīng)用［M］.國防工業(yè)出版社，2007.

［2］謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)（第五版）［M］.電子工業(yè)出版社，2008.

［3］李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù).2011.

［4］向曉漢.西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程［M］.清華大學(xué)出版社，2013.

作者簡介：

涂銳，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于廣東省梅州市磁性材料廠，研究方向：電子電氣設(shè)備與自動化控制。