工业以太网应用（通用12篇）
工业以太网应用 篇1
0 引言
对工业自动化领域而言, 大量的智能设备可通过各种途径连到Internet上, 通过网络相互传递信息和数据, 实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及监管控一体化。现场总线 (FieldBus) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的出现, 标志着工业控制技术领域又一新时代的开始。这一技术的发展, 对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用。与传统的集散控制系统 (Distributed ControlSystem, DCS) 相比, 他具有全开放、全分散、互操作等优点, 但还是有很大的局限性, 主要表现在以下几方面。
(1) 目前的现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低, 复杂的控制功能仍集中在一台控制计算机上, 不能实现全分散控制, 存在风险集中的现象。
(2) 现场总线仅作为系统的一个组成部分, 位于系统的底层, 不足以实现系统的全开放性结构。系统架构呈垂直组合状, 数据通信存在瓶颈。
(3) IEC61158标准包括8种类型的现场总线, 相互之间差异较大, 不能实现互操作, 彼此连接存在一定困难。
(4) 系统中所有控制器独立运行, 各执行独立的数据处理, 难以做到所有信息共享, 导致系统实时性不尽如人意。
上面的阐述说明传统经典的PLC和现场总线技术已不适合这种要求。即使是像工业PC, OPC等技术, 只要他们被镶嵌在传统的系统结构中, 也只能是对系统的功能作些边缘性的提高。
因此, 为减轻繁重的编程工作和达到系统的简单化, 需要对系统的结构进行变革。随着信息技术的不断飞跃发展, 工业控制领域中必然会产生一种能够弥补现场总线缺陷, 实现全系统统一、高效、实时的控制策略。工业以太网就是适应这一需要而迅速发展起来的控制技术。在所有的网络技术中, 以太网技术是至今最理想的选择, 他能满足如下所有要求:
(1) 充分考虑今后的发展需要, 具有高传输速率, 目前达到100Mb/s。
(2) 高传输安全性和可靠性, 集线器技术的确定性。
(3) 集线器的应用可不需考虑网络的扩展。
(4) 建立了一种标准:一个新的工控总线标准。
(5) 与IT连接, “世界标准”的TCP/IP技术的应用。
(6) 在整个网络中的随机网络存取技术。
以太网 (Ethernet) , 既是一种计算机接入局域网络的技术。由于以太网传送速率的大幅度提高, 物理层标准的工业化以及以太网集线器技术的形成, 千兆以太网技术和无碰撞全双工光纤技术的出现, 使得这一先进的网络技术被推进到早先认为不适宜的工业控制网络中, 形成了工业以太网技术。与目前的基于现场总线的控制网络相比, 基于工业以太网技术的控制网络是一种低成本 (许多商用以太网的芯片组与技术可以借用) 、高性能的控制网络解决方案。
1 Ethernet应用于工业现场的关键技术
一般来讲, 工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。工业以太网在技术上与商用以太网 (即IEEE802.3标准) 兼容, 工业以太网和标准以太网的异同可以比之与工业控制计算机和商用计算机的异同。但在产品设计时, 在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性甚至本质安全等方面能满足工业现场的需要。
1.1 通信确定性与实时性
工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求, 即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式, 网络负荷较大时, 网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求, 故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求, 一直被视为“非确定性”的网络。
工业以太网采取了以下措施使得该问题基本得到解决:
(1) 采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net的通信速率从10, 100 Mb/s增大到如今的1, 10Gb/s。在数据吞吐量相同的情况下, 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小, 即网络碰撞机率大大下降, 从而提高其实时性。
(2) 采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术, 避免了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞, 减少了信道带宽的浪费, 同时还可以实现全双工通信, 提高信道的利用率。
(3) 降低网络负载。工业控制网络与商业控制网络不同, 每个结点传送的实时数据量很少, 一般为几个位或几个字节, 而且突发性的大量数据传输也很少发生, 因此可以通过限制网段站点数目, 降低网络流量, 进一步提高网络传输的实时性。
(4) 应用报文优先级技术。在智能交换机或集线器中, 通过设计报文的优先级来提高传输的实时性。
1.2 稳定性与可靠性
传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的, 没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣, 因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中, 工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。
为了解决在不间断的工业应用领域, 在极端条件下网络也能稳定工作的问题, 美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann, Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品, 安装在标准DIN导轨上, 并有冗余电源供电, 接插件采用牢固的DB-9结构。此外, 在实际应用中, 主干网可采用光纤传输, 现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线, 对于重要的网段还可采用冗余网络技术, 以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。
1.3 安全性
在工业生产过程中, 很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等, 对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备, 都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。
在目前技术条件下, 对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行, 即通过对Ethernet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施, 使现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄, 以保证系统运行的安全性。对于没有严格的本安要求的非危险场合, 则可以不考虑复杂的防爆措施。
工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统, 即信息管理层、过程监控层、现场设备层, 合成一体, 使数据的传输速率更快、实时性更高, 并可与Internet无缝集成, 实现数据的共享, 提高工厂的运作效率。但同时也引入了一系列的网络安全向题, 工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下, 可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离, 还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
1.4 总线供电问题
总线供电 (或称总线馈电) 是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号, 还能给现场设备提供工作电源。对于现场设备供电可以采取以下方法:
(1) 在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范, 将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电沾上, 在现场设备端再将这两路信号分离开来。
(2) 不改变目前物理层的结构, 而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。
1.5 工业以太网协议
由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统, 而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外, 往往还需要依靠所传输的数据和指令, 执行某些控制计算与操作功能, 由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求, 满足互操作条件。
对应于ISO/OSI七层通信模型, 以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层, 而在其之上的网络层和传输层协议, 目前以TCP/IP (传输控制/网间) 协议为主 (已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准) 。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP (文件传送协议) 、Telnet (远程登录协议) 、SMTP (简单邮件传送协议) 、HTTP (WWW协议) 、SNMP (简单网络管理协议) 等应用层协议进行信息透明访问的, 它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。
为满足工业现场控制系统的应用要求, 必须在Ethernet+TCP/IP协议之上, 建立完整的、有效的通信服务模型, 制定有效的实时通信服务机制, 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务, 形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议, 进而形成开放的标准。为此, 各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分, 利用以太网和TCP/IP技术, 以及原有的低速现场总线应用层协议, 从而构成了工业以太网协议。
2 典型工业以太网
随着以太网技术的高速发展及它的80%的市场占有率和现场总线的明显缺陷, 促使工控领域的各大厂商纷纷研发出适合自己工控产品且兼容性强的工业以太网。其中应用最为广泛的工业以太网之一是德国西门子公司研发的SIMATIC NET工业以太网。它提供了开放的, 适用于工业环境下各种控制级别的不同的通信系统, 这些通信系统均基于国家和国际标准, 符合ISO/OSI网络参考模型。SIMATIC NET工业以太网主要体系结构是由网络硬件, 网络部件, 拓扑结构, 通行处理器和SIMATIC NET软件等部分组成。
2.1 SIMATIC NET工业以太网基本类型和网络硬件
SIMATIC NET工业以太网有2种类型, 分别为10Mbit/s工业以太网和100Mbit/s工业以太网。它是利用带传输技术, 基于IEEE802.3利用CSMA/CD介质访问方法的单元级和控制级传输网络。在西门子工业以太网中, 通常使用的物理传输介质是屏蔽双绞线 (TP) , 工业屏蔽双绞线 (ITP) 以及光纤。TP连接常用于端对端的连接。一个数据终端设备 (DTE) 直接连接到网络连接元件端口, 而该设备负责将信号进行放大和转发。在SIMATIC NET工业以太网中, 这些网络连接元件有OLM (光学链接模板) , ELM (电气连接模板) , OSM (光学交换机模板) , ESM (电气交换机模板) 。DTE与连接元件之间通过TP或ITP电缆连接。
2.2 SIMATIC NET工业以太网网络部件
SIMATIC NET工业以太网网络部件包括工业以太网链路模板OLM, ELM和工业以太网交换机OSM/ESM和ELS以及工业以太网链路模块OMC。其中OLM (光链路模块) 有3个ITP接口和二个BFOC接口。ITP接口可以连接三个终端设备和网段, BFOC接口可以连接二个光路设备 (如OLM等) , 速度为10Mbit/s。ELM (电气链路模块) 有3个ITP接口和一个AUI接口。通过AUI接口可以将网络设备连接到LAN上, 速度为10Mbit/s。在普通OSM上, 电气接口 (TP/ITP) 都是10/100 Mbit/s自适应的且线序自适应。光纤接口为100Mbit/s全双工的BFOC接口, 适用于多模光纤连接。二个OSM之间的最远距离为3km。在同一个网段上最多可以连接50个OSM, 则扩展距离为150km。同时它还有地址学习, 地址删除, 设置传输波特率 (10或100Mbit/s) 及自适应功能, 简化了网络配置和增强了网络扩展能力。此外, 根据IEEE802.1Q标准, OSM/ESM还支持VLAN (虚拟局域网) , 它提供数据包的VLAN优先权标签。它将数据分配为由低到高 (0-7) 的优先权级别, 对于没有目的地址的数据包则被视为低优先权的数据帧。
2.3 SIMATIC NET工业以太网的拓扑结构
2.3.1 总线型拓扑结构
在OLM或ELM的总线拓扑结构中, DTE设备可以通过ITP电缆及接口连接在OLM或ELM上。每个OLM或ELM有三个ITP接口。OLM之间可以通过光缆进行连接, 最多可以级联11个。而在ELM之间可以通过ITP XP标准电缆进行连接, 最多可以级联13个。ESM可以通过TP/ITP电缆相连组成总型网络。任何一个端口都可以做为级联的端口使用。二个ESM之间的距离不能超过100m, 整个网络最多可以连接50个ESM。
2.3.2 环型拓扑结构
OLM可以通过光缆将总线型网络首尾相连, 从而构成环行网络。整个网络上最多可以级联11个OLM, 与总线型网络相比冗余环网增加了数据交换的可靠性。而OSM/ESM也能够构成环网拓扑结构, 它们具有网络冗余管理功能。它们通过DIP开关可以设置网络中的任何一个OSM/ESM做为冗余管理器。因而可以组成冗余的环网, 其中OSM/ESM上7, 8口作为环网的光缆级连接口。做为冗余管理器的OSM监测7, 8口的状态, 一旦检测到网络中断, 将重新构建整个网络, 将网络切换到备份的通道上, 保证数据交换不会中断。网络重构时间小于0.3s。
2.4 环网冗余
在西门子工业以太网中, 每个OSM/ESM上 (除OSM TP22和ESM TP40) 都有standby-sync接口。使用一对OSM/ESM, 通过DIP开关设置备用 (standby) 主站和备用从站。用ITP XP标准电缆, 将备用接口连接起来, 则该对OSM/ESM可以用来冗余连接另外一个环网。备用主站和从站之间通过ITP XP9/9标准电缆连接。当备用主站通道出现故障时, 备用从站连接通道工作;当备用主站通道恢复正常时, 备用主站会通知备用从站, 备用的从站将停止工作。而整个网络重构的时间小于0.3m。
2.5 SIMATIC NET工业以太网通信处理器
常用的SIMATIC NET工业以太网通信处理器 (CP) , 包括用在S7PLC站上的处理器CP243-1系列, CP343-1系列, CP443-1系列以及用在PC上的网卡, 并提供ITP, RJ45及AUI等以太网接口。它们以10/100Mbit/s的速度将PLC或PC连接至工业以太网。CP系列模板是为S7系列PLC在组成工业以太网进行通信时使用的, 通过CP系列模板用户可以很方便的将S7系列PLC通过以太网进行连接, 并且支持使用STEP7-Micro/WIN32软件。通过以太网对S7系列PLC进行远程组态, 编程和诊断。同时, 通过CP, S7系列中各PLC之间可以进行以太网连接, 并且还可以同PC上的OPC Server进行通信。
2.6 SIMATIC NET工业以太网软件
SIMATIC NET工业以太网软件包括SIMATIC NET V6.2和OPC (OLE for Process Control) , 其中SIMATIC NET软件提高了统一的Windows届面, 同时也集成并更新了更多的功能, 特别是它提供了APC (Advanced PC Configuration) 高级PC配置工具, 通过APC的组态, PC可以作为整个系统, 控制系统的一个站点同其他PLC站进行通信, 同时提供了OPC Server以及数据处理功能。OLE (对象连接和嵌入式) 本身是基于Microsoft COM技术的一个应用, 而OPC接口是基于OLE的开放的统一的软件接口。OPC不依靠于某一个厂商, 几乎所有的工控软, 硬件控制商都已集成了OPC接口, 因此各不同硬件厂商之间的设备通信就可以通过统一的OPC接口进行, 从而避免了不同设备的厂商由于通信协议的差异而造成数据交换困难的问题。SIMATIC NET OPC是服务器/客户端结构, 客户端访问服务器的程序接口有自动化接口和用户自定义接口, 其中只有自定义接口可以用来访问故障报警和触发事件消息。SIMATIC NET OPC的结构为分级模式, 即OPC server-OPC group-OPC item, OPC数据访问均基于此结构。
3 工业以太网发展趋势和前景
网络技术的飞速发展深刻影响着工业自动化技术的变革。工业以太网这种高度开放、使用灵活方便、功能强大的新型工业控制网络将会以非常高的效率把企业的现场设备层、控制层以及管理层连接在一起, 形成以网络集成自动化为基础的企业信息系统。他必将渗透到机械制造、汽车制造、半导体制造、石油化工等制造业的各个方面, 同时也将广泛运用于楼宇自控、电力系统监控、机器人控制、纺织包装、印刷等一切需要数字信息交换与集成的领域。因此, 以工业以太网作为一种全新的“现场总线”是未来工业控制网络的必然选择。他实现了现场设备层与企业内部信息网 (Intranet) 的无缝连接, 在建立起一个真正统一的工业控制网络的同时, 把开放性的思想在更高程度上运用于工业控制网络。
参考文献
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工业以太网应用 篇2
现在工业中，通常会采用专用的工业交换机，定义不同的太网帧优先等级，让用户所希望的信息能够以最快的速度传递出去。目前，我国工业以太网交换机行业整体上仍处于导入阶段，下游客户主要集中于电力、轨道交通等行业。预计整个“十二五”期间，工业以太网交换机平均每年的市场容量在30亿元左右，未来3年的复合增速将达25%。
工业以太网交换机市面状况
国内工业以太网交换机市场中，电力和轨道交通是工业交换机的重点应用领域，占到市场的70%。中国工业以太网交换机市场活跃着大约50家厂商。中国工业以太网交换机市场的外资厂商在15家左右，台资厂商3-4家，本土厂商30家左右。本土厂商中以地方品牌居多。目前参与国内工业以太网交换机市场竞争的企业可分为两类：第一类是专业的工业以太网交换机生产厂商。以赫思曼、摩莎、东土科技、罗杰康、卓越信通等为代表的专业厂商是国内工业以太网交换机市场的主要企业。这类企业由于抢占了市场先机，发展速度较快，涉及行业较广，市场份额较高。赫思曼由于在电力等行业拥有优势资源，其国内市场占有率排名第一的地位短时期内不会出现变化。但是赫思曼产品价格偏高，未来将面临摩莎、东土科技、罗杰康等企业的挑战。
工业以太网应用 篇3
关键词：工业以太网;水厂自动化;应用
以太网在工业发展中的应用已经有很长时间的历史了，最初的运用主要是在工业系统的信息层面，但是经过发展和技术的革新，以太网的运用方向更加广泛了，逐步在控制层和设备层进行了应用，能够查找出故障，并对故障数据进行分析。工业以太网的功能在逐步完善，所以其在水厂自动化系统中的运用效果也越来越突出，以下是对工业以太网在水厂中的应用分析。
一、基于MODBUS/TCP工业以太网在水厂自动化方面的设计分析
1.MODBUS/TCP与透明工厂的介绍。MODBUS/TCP是一种形式简单的协议，可以讲MODBUS和TCP有效的集合在一起，这种连接建立起来之后就会收到呼叫请求，然后在呼叫应答机的配合下，以太网利用交换方式来获取自身更高的确定性。利用这种协议，可以从网页上对用户界面加以认识，并且向着更加完善的方向设置。如果把数据放入在相关的网页中，那么就可以在嵌入的过程中将Web服务器也一同嵌入进取，并且设置其作为浏览器的操作终端。MODBUS协议有优点也有缺陷，它不能对通信模型起支持作用，因此不能被广泛的用在较新的网络技术中。若用户需要对其进行使用，则需要通过手工形式配备一些参数，这些参数通常表现为数据类型和寄存器等。虽然该协议存在诸多缺陷，但是还是愿意被广大用户所运用，因为它本身的性质决定了其具有较高的可靠性，可以应用在多种工业场合中。
2.基于MODBUS/TCP工业以太网的水厂自动化系统设计。本文从某水厂的实际工艺特点出发，对MODBUS/TCP在水厂中的自动化运行进行分析。此水厂的规模在300，000m3/d左右，它的自动化系统主要是利用数据采集和控制中心两个部分组成。位于核心位置的监控站能够同水厂车间的控制现场进行连接，而连接的媒介就是工业以太网。在上层的监控站中，由两台工业计算机和监测计算机构成，前两台计算机的作用是对整个厂房进行生产的监督和控制。在整个水厂中现场控制站分为以下几个：
（1）对水源深井进行控制的站地。此水厂的水源供应来自20口比较深的井，监控站的设置主要是考虑了地形地质、水井位置、工艺流程以及水源地的变压器等，20口深井附近设置8个监控站，其中控制4口井的监控站7座，控制3口井的监控站是6座。在水源深度测试方面所采用的方法是无线电通信，并且用这种方式与其他深井的监测站来交换彼此所获得的数据。
（2）滤控制站。滤池的组成是通过高超的工艺，由虹吸管方式的双阀组成。在系统的控制方面主要由PLC控制，并且采用全自动的真空系统。双阀滤池的控制系统有冗余设备组成，在此方面还会设置以太网络接口。光电工业以太网与水厂的工业以太网进行连接，这样在滤池上的监控设备也可以通过工业以太网对水厂的情况进行监督。滤池也拥有自己的控制系统，控制系统的主要工作室对虹吸进水管以及排水管等进行控制，防止发生破坏，另外还可以对进水阀门和出水阀门进行实时的关闭和打开，以此来完成滤池的过滤功能。
（3）机修间控制站和加氯间控制站。在水厂的机修间，设有控制站，这个控制站主要是对混流潜水泵的出口阀门进行控制。机修间的控制站组成部分分别是QUTAN-TUMPLC和系统的操作员。此控制站的主要作用是对工业交换机进行控制。另外还有加氯间控制站，在加氯间需要设置报警仪器，这种报警仪器的作用是对漏氯情况进行感应，并且一旦有反应立即报警。如果此种仪器在空气中检测到了高定值的氯气就会自动的将控制站内的排风扇打开，若风扇已经不能控制局面就会通过声光进行报警，操作员接到报警后采取相应措施对事故进行处理。
二、对工业以太网实时性和确定性的分析
工业以太网具有确定性和实时性。确定性主要是指在网络中不管有任何节点或者出现何种负载情况，网络都在在一定的时间中进行数据传输，这种传输媒介不会被任何节点所单独占有。以太网的实时性主要是讲它的时间相应和时间循环功能。以太网在工业领域运用广泛，尤其是上文分析过的在水厂自动化方面的运用。在以太网刚刚投入使用时，得到了很多企业的重视，各种快速以太网和交换技术营运而生，以太网给工业自动化带来了前所未有的变化也成为工业发展的关键技术之一，因此在以后的使用过程中要全新的对其优点和缺点进行审视，增加以太网的应用性，避免一些传输冲突的存在。
三、结语
综上所述，随着国家经济的发展，科学技术的进步，信息交流和交換已经成为工业企业发展的重要内容，以太网在信息控制、管理中的应用也被极大推广，使自动化系统结构发生变革，企业的信息交流需求被解决。与此同时，人们也更加意识到以太网在工业发展中的作用，因此会对其进行新领域的使用和创新。
参考文献：
[1]杜先君.基于以太网的水厂网络监控系统[J].工业仪表与自动化装置，2011（3）：61-63.
[2]徐玉斌，郭银章，曾建潮等.工业以太网及其在水厂自动化系统中的应用[J].仪器仪表学报，2014，25（z1）：529-532.
工业以太网应用的研究 篇4
关键词：工业以太网,网络安全性,虚拟局域网,总线供电,本质安全性
0 引言
以太网在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、适用环境等诸多方面与实际的现场工业要求有着很大的差异, 其所用的插件设备及传输介质不能满足工业现场的需求, 出现了抗干扰性及可靠性和安全性等问题, 本文重点就工业以太网在实际工业控制中遇到的等问题进行了详细的分析并给出了可行的方案。
1 工业控制网络中工业以太网的网络安全性问题的解决
1.1 虚拟局域网技术
虚拟局域网 (VLAN) 是一个交换网络, 它可以按功能、应用等构架对网络进行逻辑划分, 而不是以实体或地理位置为基础划分。基于工业过程控制的要求, 控制层单元在数据传输实时性和安全性方面都要与普通单元区别开, 因而采用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上做逻辑分割。每一个子网就是一个广播域, 子网之间传播通常需通过路由器。逻辑子网的成员与其物理位置和连接无关。VLAN的优点主要有以下几点: (1) 不同的VLAN之间不能通信, 隔离网络广播风暴。 (2) 提高网络的整体安全性。 (3) 简化网络管理。 (4) 提高网络性能。 (5) 分割部门和功能。而且通过VLAN的逻辑分割功能, 可以将管理层和监控层及现场设备层分开, 有利于提高底层现场设备通信的实时性。更重要的是工业控制系统的网络安全性得到了保证。
1.2 IPV6技术
IPv6是下一版本的互联网协议, 在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外, 还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题。IPv6的主要优势体现在以下几方面:扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量 (QoS) 、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现多播功能。
2 工业控制网络中工业以太网的可靠性问题的解决
以太网的环冗余见图1, 是由在一定程度上解决了以太网的容错问题 (容错是指在故障存在的情况下计算机系统不失效, 仍然能够正常工作的特性) , 提高了以太网的可靠性, 通过非常清晰和有效的冗余结构, 用户获得了非常高的网络和利用率, 冗余模构造了一个简单环, 能够保证在一个或几个站点同时发送失败的情况下, 也能够提供网络的整体功能。在交换式以太网中, 冗余的管理能够实现很高的网络可用性, 交换式高速以太网用环冗余的反应时间少于300ms, 这意味着在一个设备出错后, 网络可以再次被利用。许多快速冗余算法为适应环冗余不断出现, 即使在重新配置网络的时候, 这些算法和以太网环布局也能保证继续生产操作。
3 工业控制网络中工业以太网的安全性稳定性问题的解决
为了使工业以太网抗干扰能力、外观设计等方面符合工业现场的要求, 能适应恶劣的工业环境易燃、易爆、有毒等场合, 防止病毒黑客的非法入侵造成工业网络的安全隐患。另外还有实际的总线供电问题。应做到: (1) 控制系统的控制器、I/O模块、操作站、工程师站等硬件设备均能满足环境适应性要求。电源设计、安装方式采用DC24V供电, 而不是通常以太网用2 2 0 V A C。 (2) 在实际应用中, Ethernet主干网可采用光纤传输, 现场设备的连接采用屏蔽双绞线, 提高网络的抗干扰能力和可靠性。对于重要的网段还可采用冗余网络技术。 (3) 采用网络隔离 (如网关、服务器等隔离) 的办法, 将控制区域内部控制网络与外部信息网络系统分开。由于工业现场控制设备通过以太网连接起来时, 使用了TCP/IP协议, 可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵等网络安全威胁。通常采用虚拟局域网 (V L A N) 改善工业网络的安全性。好处有: (1) 一个物理机可以当多个逻辑机使用; (2) 各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连, 实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
4 工业控制网络中工业以太网的总线供电、本质安全性问题的解决
所谓“总线供电”或“总线馈电”, 是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号, 还能给现场设备提供工作电源。采用总线供电可以减少网络线缆, 降低安装复杂性与费用, 提高网络和系统的易维护性。特别是在环境恶劣与危险场合, “总线供电”具有十分重要的意义。
具体措施:
(1) 在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范, 将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上, 在现场设备端再将这两路信号分离开来。
(2) 不改变目前物理层的结构, 而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器, 解决了以太网总线的供电问题。
本质安全性指网络设备的保护等级和防爆性能。目前已经具有保护等级为IP67的工业以太网交换机, 在危险性工业场合应用的网络设备需要通过相应的安全认证, 在防爆应用中要对以太网系统采用隔爆防爆的措施, 可通过对以太网现场设备 (包括安装在现场的以太网交换机) 采取增安、气密、浇封等隔爆措施, 使设备本身的故障产生的电火花能量不会外泄, 以保证系统使用的安全性。
5 小结
目前工业控制过程中只解决工业以太网实时性的问题, 还远远不够。由于实际工业控制现场往往环境条件恶劣, 因此工业控制系统中的工业以太网在设计时要考虑满足工业现场实际应用中存在的问题, 只有很好的解决了这些问题, 才能拿出相对比较合理的方案。才能从根本上保证工业网络控制系统的正常运行。
工业以太网是工业网络控制的发展方向, 尽管目前还存在一些问题, 在进入工业控制领域的过程中将逐步成熟。
参考文献
[1]黄安贻, 叶菁.基于交换式技术的工业以太网实时性问题的研究.机电工程技术.2005.
[2]程小劲, 韩向东.以太网在工业控制领域应用的关键性问题的研究.机床与液压.2005.
工业以太网应用 篇5
--------2013-2018年中国网管型工业以太网交换机市场运营格局及投资潜力可行性研究预测
报告
报告目录（部分）：
第一章 中国网管型工业以太网交换机行业发展概述
第一节 中国网管型工业以太网交换机行业定义
一、中国网管型工业以太网交换机定义
二、中国网管型工业以太网交换机应用
第二节 中国网管型工业以太网交换机行业发展概况
一、全球中国网管型工业以太网交换机行业发展简述
二、中国网管型工业以太网交换机国内行业现状阐述
第三节 中国网管型工业以太网交换机行业市场现状
一、市场概述
二、市场规模
第四节、中国网管型工业以太网交换机产品发展历程
第五节、中国网管型工业以太网交换机产品发展所处的阶段
第六节、中国网管型工业以太网交换机行业地位分析
第七节、中国网管型工业以太网交换机行业产业链分析
第八节、中国网管型工业以太网交换机行业国内与国外情况分析
第二章 2011-2012年中国网管型工业以太网交换机产业运行态势分析
第一节2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场发展分析
一、国内中国网管型工业以太网交换机生产综述
二、中国网管型工业以太网交换机市场发展的特点
三、中国网管型工业以太网交换机市场景气向好
第二节2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场分析
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一、国外企业中国网管型工业以太网交换机料发展的特点
二、中国网管型工业以太网交换机专用料供需分析
三、中国网管型工业以太网交换机专用料市场发展综述
第三节2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场发展中存在的问题及策略
一、中国网管型工业以太网交换机市场发展面临的挑战及对策
二、提高中国网管型工业以太网交换机整体竞争力的建议
三、加快中国网管型工业以太网交换机发展的措施
第三章 中国网管型工业以太网交换机行业外部环境分析
第一节、中国网管型工业以太网交换机行业经济环境影响分析
一、国民经济影响情况
二、国内投资中国网管型工业以太网交换机情况
第二节、中国网管型工业以太网交换机行业政策影响分析
一、国内宏观政策影响分析
二、行业政策影响分析
第三节、中国网管型工业以太网交换机产业上下游影响分析
一、中国网管型工业以太网交换机行业上游影响分析
二、中国网管型工业以太网交换机行业下游影响分析
第四节、中国网管型工业以太网交换机行业的技术影响分析
一、中国网管型工业以太网交换机行业技术现状分析
二、中国网管型工业以太网交换机行业技术发展趋势
第四章 中国网管型工业以太网交换机行业经营和竞争分析
第一节、行业核心竞争力分析及构建
第二节、经营手段分析
一、消费特征分析
二、产品分类与定位
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三、产品策略分析
四、渠道和促销
第三节、中国网管型工业以太网交换机技术最新发展趋势分析
一、国外同类技术重点研发方向
二、国内中国网管型工业以太网交换机研发技术路径分析
四、国内最新研发动向
五、技术走势预测
六、技术进步对企业发展影响
第五章 2011-2012年中国网管型工业以太网交换机行业环境分析
第一节 我国经济发展环境分析
一、GDP历史变动轨迹
二、固定资产投资历史变动轨迹
三、进出口贸易历史变动轨迹
四、2012年我国宏观经济发展预测
第二节 行业相关政策、法规、标准
一、中国相关环保规定
二、国外相关环保规定
第六章 中国网管型工业以太网交换机行业国内市场深度分析
第一节 中国网管型工业以太网交换机行业市场现状分析及预测
第二节 2013-2018年产品产量分析及预测
第三节 2013-2018年市场需求分析及预测
第四节 产品消费领域与消费结构分析
第五节 价格趋势分析
第七章 中国网管型工业以太网交换机行业需求与预测分析
第一节、中国网管型工业以太网交换机行业需求分析及预测
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一、中国网管型工业以太网交换机行业需求总量及增长速度
二、中国网管型工业以太网交换机行业需求结构分析
三、中国网管型工业以太网交换机行业需求影响因素分析
四、中国网管型工业以太网交换机行业未来需求预测分析
第二节、中国网管型工业以太网交换机行业地区需求分析
一、行业的总体区域需求分析
二、华北地区需求分析
三、华东地区需求分析
四、东北地区需求分析
五、中南地区需求分析
六、西北地区需求分析
七、西南地区需求分析
第三节、中国网管型工业以太网交换机行业细分市场需求分析
一、中国网管型工业以太网交换机行业市场需求量情况
二、中国网管型工业以太网交换机行业市场供求量情况
第八章 中国网管型工业以太网交换机行业进出口分析
第一节、中国网管型工业以太网交换机行业进出口分析
一、进出口总量对比分析
二、进出口金额对比分析
第二节、中国网管型工业以太网交换机行业出口分析
一、出口总量分析
二、出口金额分析
三、出口市场分析
四、出口价格分析
第三节 中国网管型工业以太网交换机进口分析
一、进口总量分析
二、进口金额分析
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三、进口市场分析
四、进口价格分析
第九章 2011-2012年国内外重点企业竞争力分析
一、**公司
1、企业简介
2、产品介绍
3、经营情况
4、未来发展趋势
二、**公司
1、企业简介
2、产品介绍
3、经营情况
4、未来发展趋势
三、**公司
1、企业简介
2、产品介绍
3、经营情况
4、未来发展趋势
四、**公司
1、企业简介
2、产品介绍
3、经营情况
4、未来发展趋势
五、**公司
1、企业简介
2、产品介绍
3、经营情况
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4、未来发展趋势
六、**公司
1、企业简介
2、产品介绍
3、经营情况
4、未来发展趋势
第十章 2011-2012年中国网管型工业以太网交换机行业竞争格局分析
第一节 中国网管型工业以太网交换机行业竞争结构分析
一、现有企业间竞争
二、潜在进入者分析
三、替代品威胁分析
四、供应商议价能力
五、客户议价能力
第二节 中国网管型工业以太网交换机企业国际竞争力比较
一、生产要素
二、需求条件
三、支援与相关产业
四、企业战略、结构与竞争状态
五、政府的作用
第三节 中国网管型工业以太网交换机行业竞争格局分析
一、中国网管型工业以太网交换机行业集中度分析
二、中国网管型工业以太网交换机行业竞争程度分析
第四节 2011-2012年中国网管型工业以太网交换机行业竞争策略分析
一、金融危机对行业竞争格局的影响
二、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业竞争格局展望
三、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业竞争策略分析
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--------第十一章 中国网管型工业以太网交换机行业投融资分析
第一节、中国网管型工业以太网交换机行业的SWOT分析
第二节、中国网管型工业以太网交换机行业国内企业投资状况
第三节、中国网管型工业以太网交换机行业外资投资状况
第四节、中国网管型工业以太网交换机行业资本并购重组情况
第五节、中国网管型工业以太网交换机行业投资特点分析
第六节、中国网管型工业以太网交换机行业融资分析
第七节、中国网管型工业以太网交换机行业投资机会分析
一、2013-2018年总体投资机会及投资建议
二、2013-2018年国内外投资机会及投资建议
三、2013-2018年区域投资机会及投资建议
四、2013-2018年企业投资机会及投资建议
第十二章 产业政策及贸易预警
第一节 国内外产业政策分析
一、中国相关产业政策
二、国外相关产业政策
第二节 国内外环保规定
一、中国相关环保规定
二、国外相关环保规定
第三节 贸易预警
一、可能涉及的倾销及反倾销
二、可能遭遇的贸易壁垒及技术壁垒
第四节近期人民币汇率变化的影响
第五节 我国与主要市场贸易关系稳定性分析
第十三章 2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业投资分析
第一节 行业投资机会分析
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一、投资领域
二、主要项目
第二节 行业投资风险分析
一、市场风险
二、成本风险
三、贸易风险
第三节 行业投资建议
一、把握国家投资的契机
二、竞争性战略联盟的实施
三、市场的重点客户战略实施
第十四章 中国网管型工业以太网交换机行业投资机会与风险
第一节 中国网管型工业以太网交换机产业投资机会分析
一、投资机会分析
二、可行研究分析
第二节 中国网管型工业以太网交换机行业投资效益分析
一、2012年中国网管型工业以太网交换机行业投资状况分析
二、2012年中国网管型工业以太网交换机行业投资效益分析
三、2012年中国网管型工业以太网交换机行业投资趋势预测
四、2012年中国网管型工业以太网交换机行业的投资方向
五、2012年中国网管型工业以太网交换机行业投资的建议
第三节 2013-2018中国网管型工业以太网交换机行业投资风险及控制策略分析
一、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业市场风险及控制策略
二、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业政策风险及控制策略
三、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业经营风险及控制策略
四、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机同业竞争风险及控制策略
五、2013-2018年中国网管型工业以太网交换机行业其他风险及控制策略
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--------第十五章 中金企信项目投资建议
第一节 技术应用注意事项
第二节 项目投资注意事项
第三节 生产开发注意事项
第四节 销售注意事项
图表目录（部分）：
图表：中国网管型工业以太网交换机市场产品构成图
图表：中国网管型工业以太网交换机市场生命周期示意图
图表：中国网管型工业以太网交换机市场产销规模对比
图表：中国网管型工业以太网交换机市场企业竞争格局
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场产品总产量统计
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场细分产品产量统计
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场产品市场容量统计
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场细分产品市场容量统计
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场产品结构变化
图表：2013-2018年中国网管型工业以太网交换机市场产品总产量及细分产品产量预测
图表：2013-2018年中国网管型工业以太网交换机市场产品总产量及细分产品市场容量预测
图表：中国网管型工业以太网交换机市场原材料供给模式
图表：中国网管型工业以太网交换机市场下游消费市场构成图
图表：中国网管型工业以太网交换机市场企业市场占有率对比
图表：进出口产品构成图
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场产品进口量统计
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场产品出口量统计
图表：中国网管型工业以太网交换机市场进口地区格局图
图表：中国网管型工业以太网交换机市场出口地区格局图
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--------图表：2013-2018年中国网管型工业以太网交换机市场产品进口预测
图表：2013-2018年中国网管型工业以太网交换机市场产品出口预测
图表：2011-2012年中国网管型工业以太网交换机市场投资规模
图表：2011-2012年主要投资项目统计
图表：2013-2018年中国网管型工业以太网交换机市场投资规模预测
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乘上工业以太网这趟快车 篇6
总投资15亿欧元、厂区占地面积2.07平方公里、年产汽车20万台，这些数字概括了宝马沈阳铁西工厂的“体量”。有媒体将其与宝马设在德国莱比锡的工厂相提并论，并把沈阳铁西工厂称之为“黑土地上的‘莱比锡’”。沈阳本地媒体评论认为，这家工厂让沈阳进入了“宝马时代”。
宝马沈阳铁西工厂之所以会得到这样的赞誉，与其先进的工厂建设和技术标准不无关系。在这里出产的汽车，其每个螺丝的拧紧程度都会被电脑录入系统并一直保存到车辆报废为止，以确保每一项数据都是可追溯的。更加关键的是，无论是高速冲压机、焊接机器人，还是可编程控制器、网络传输，甚至于整套自动化管理体系和仓储标准，都与宝马全球的任何一家工厂一样。这就保证了宝马铁西工厂能够与国际最先进的技术标准保持完全同步。
可以说，铁西工厂是集现代工业技术于大成的代表作。而提到现代工业技术，我们就需要引出一个当前炙手可热的名词：工业以太网。
机器人背后的网络变革
对于外行人来说，参观工厂时最吸引眼球的莫过于那些定位精准、一丝不苟的机器人，亦或者是在轨道上孜孜不倦跑来跑去的自动仓储运输车，而很少有人关心其背后的内容。比如，上文提到的螺丝拧紧数据是如何被传送到存储设备中的？机器人和运输车又是通过谁接收命令的？
同以太网一样，工业生产同样需要网络来传输数据。机器的工作数据传送，控制系统的命令下发、测量仪器的通信等操作均依赖这个网络完成。工业系统长期的独立和专用特性，使得工业生产网络走出了一条与我们常见的以太网完全迥异的数字化体系，也使得其有了专有的名词：现场总线（Fieldbus）。而在此之前，机器之间的通信还是依靠模拟信号甚至开关电平信号进行的。
尽管现场总线将机器之间的通信提升到了数字时代，不过随着应用的深入，人们发现其存在着一些不足。首先，现场总线领域协议种类众多，达到了十几种而且互不兼容，这不仅增加了用户的施工难度，而且还提高了工程造价；其次，这些协议大多封闭，无法满足当前工业生产定制化需求；此外，工业总线数据包的传输延迟和速率问题没有较好的解决方法。
时空交错，在现场总线遭遇应用难题的同时，以太网技术却得到了极大发展。由于开放特性，使得其在应用中群策群力，解决了不少发展过程中的技术难题。这使得人们开始考虑将以太网中的TCP/IP协议引入工业网络。这就形成了工业以太网的概念。
工业领域分析调研机构ARC集团认为，从智能电网的实施，特别是变电站自动化，到智能化铁路、公路以及其他运输项目正越来越依赖工业以太网。在过程自动化领域中，工业以太网已成为控制层骨干网的首选，并逐渐向设备层迁移。工业以太网越来越多地作为常规工业网络，在很多工业领域替代了特定应用的现场总线。
“两化融合”从网络开始
广义上来说，工业以太网依然是现场总线的一种分支，其符合现场总线在制造与控制设备之间进行通信的定义。不过从技术实现上，二者又完全不同。工业以太网的出现，打破了工业生产系统与信息管理系统的屏障，扩充了网络规模，将原本的单机自动化扩展到了整个工厂自动化的级别，提高了传输速率、传输距离和开放性。同时，其还降低了工程部署的成本，并可以直接控制和访问生产级别的所有数据。目前我们所能见到的工业以太网标准，包括了Modbus TCP/IP、ProfiNet、Ethernet/IP等。
在这些不同的工业以太网标准之中，ProfiNet尤为受到汽车厂商所青睐。2004年11月在纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览会上，奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒和大众四家德国主要汽车公司宣布同意支持工业以太网协议ProfiNet。这一协议不仅具备工业以太网的特性，同时可以整合原有得到广泛应用的ProfiBus现场总线网络和管理架构，形成完整的现场总线控制系统，保护了用户的原有投资。除汽车行业以外，烟草行业目前也已经成为ProfiNet的一个重要推广领域。
目前，宝马在全球的工厂建设中都采用了来自西门子的ProfiNet工业以太网网络，本文开头所提到的沈阳铁西工厂也不例外。
工业以太网的出现，使得工厂实现了从管理到现场“一线通”的愿望。用户只需要掌握一种技术，即可满足全自动化工厂、全数字化工厂的建设需求。同时，其也将自动化语言带入到了工业生产领域。目前，赫思曼等厂商已经开始将以太网中的SNMP协议带入到工业领域，利用可编程控制器配置交换机成为指日可待的事情。此外，工业以太网也让无线网络进入工厂成为可能。
从工厂走出去
信息化与工业领域的交融无时无刻不在进行之中。从车身设计到工厂规划，再到发动机设计以及生产，数字化工厂正在优化从设计到制造的每个环节。增加柔性、减少系统复杂性和节能需求、更少的调试时间、更短的生产爬坡时间、创新的自动化标准应用、更快的新产品上市需求，数字化工厂所能够带来的这些益处，无不令汽车企业心动。
以工业以太网为代表的“两化融合”技术，正在逐渐走出工厂，迈向更为广阔的应用空间。经受过工业生产高温、高腐蚀性、强震的“洗礼”，工业以太网交换机的可靠性已经得到了业界的认可。如今其已经开始被应用于车联网的信息通信与交互之中，特别是在城市交通交通信号控制系统、高清电子警察系统、高清卡口系统等智能交通系统等部分。
来自ARC集团的观点认为，原本很大程度上依赖于离散自动化应用的工业以太网交换机市场，目前的增长逐渐受到其在基础设施和过程自动化领域应用的影响。这些新机遇，加上以太网继续巩固其作为工业网络基础设施首选的地位，联合即将到来的物联网，正助力工业以太网交换机市场的两位数增长。
在这一背景下，传统的IT和通信厂商，比如华为、思科，也开始逐渐关注起工业以太网市场。在以太网交换和管理方面，对于他们来说拥有着先天的优势。在工业领域，工业以太网正在掀起一股全新的变革，这不仅仅体现在工业制造层面，也深刻影响到了信息化技术、供应链，乃至我们的学习和生活。
工业以太网通讯在万能线的应用 篇7
轨梁厂自动化生产通过以上三个系统完成, 系统之间的数据交换通过西门子工业以太网与Profibus-DP现场总线构成一个强大的数据交换体, 完成控制数据、过程数据、I/O数据等数据的交换与传递。其中工业以太网构成的网络主要完成PLC与PLC层级、PLC与上位机层级、PLC与TCS层级的数据交换[1]。
1 以太网应用于工业现场的关键技术
工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求, 即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用CSMA/CD方式, 网络负荷较大时, 网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求, 故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求, 一直被视为“非确定性”的网络。工业以太网采取了以下措施使得该问题基本得到解决:
1.1 采用快速以太网加大网络带宽
Ethernet的通信速率能够达到100 Mb/s, 甚至1 Gb/s。在数据吞吐量相同的情况下, 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小, 即网络碰撞机率大大降低, 从而提高其实时性。
1.2 采用全权工交换式以太网
用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术, 避免由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞, 减少了信道带宽的浪费, 同时还可以实现全双工通信, 提高信道的利用率。
1.3 降低网络负载
工业控制网络与商业控制网络不同, 每个结点传送的实时数据量很少, 一般为几个位或几个字节, 而且突发性的大量数据传输也很少发生, 因此可以通过限制网段站点数目, 降低网络流量, 进一步提高网络传输的实时性。
1.4 应用报文优先级技术
在智能交换机或集线器中, 通过设计报文的优先级来提高传输的实时性[2]。
2 万能线工业以太网网络
万能线各控制级之间网络拓扑结构采用的是树形结构, 根据通讯距离的长短使用光纤或超五类屏蔽双绞线进行连接, 其网络拓扑图如图1所示[3]。
工业以太网中, PLC与各操作员站工程师站构成底层设备控制系统, 称为基础自动化级;基础自动化级以上通过底层数据采集及处理构成过程管理级。
3 数据交换内容
万能线工业以太网数据交换在各层级之间与本层级之间普遍存在。基础自动化级中, 除了内部控制器之间的数据交换, 与TCS系统也存在数据交换;过程管理级与基础自动化级存在数据交换。其数据交换流程图如图2所示[4]。
3.1 过程管理级与基础自动化级数据交换
内容为:基础自动化级L1向过程管理级L2传输轧件位置信息及附加轧件工艺信息;过程管理级L2向基础自动化级L1下发轧制表信息。
3.2 基础自动化系统与TCS系统数据交换
内容为:基础自动化系统L1向TCS系统发送控制状态、系统数据、轧制数据;TCS系统向基础自动化系统L1发送TCS显示信息、状态信息。
3.3 过程管理级与TCS系统数据交换
内容为:过程管理级L2向TCS发送轧件物流号, 用于TCS控制中轧件轧制信息的绑定;TCS系统向过程管理级L2发送TCS状态信息[5]。
4 通讯方式
4.1 TCP连接方式
万能线过程管理级L2与基础自动化级L1之间、基础自动化级L1与TCS系统之间数据交换都是采用的基于TCP连接方式的SOCKET电文通讯技术。
TCP/IP提供面向连接的数据通讯, 数据并不会被打包因而并没有数据包确认位, 再者TCP服务提供了统一的socket接口到每一个终端, 因而数据块 (最大8K字节) 可以整体发送。选择建立TCP连接只需要在Netpro下新建连接, 类型选择为“TCP connection”即可。可以看到此时的通讯通过IP地址和端口号来收发数据, 此时该服务使用的协议为TCP协议。如图3所示。
4.2 ISO连接方式
万能线基础自动化级PLC与PLC之间、PLC与Wincc之间的数据交换采用的是ISO连接方式。
ISO传输服务通过组态连接提供SEND/RECEIVE interface服务在以太网上传输数据。组态的连接自动的被ISP传输服务所监视。最大传输数据量为8 K字节。数据自动重发功能和基于第2层的CRC校验保证了数据传输的完整性和可靠性, 通讯方可以进行接收数据的确认。选择建立ISO连接只需要在Netpro下新建连接, 类型选择为“ISO transport connection”即可。此时该服务使用的协议为ISO协议。ISO通讯速度较快, 可是不能实现网络路由, 只能用于局域网通讯。如图4所示。
4.3 UDP连接方式
万能线基础自动化级介质PLC与其它PLC之间的数据交换采用的是UDP连接方式。
UDP提供简单数据传输, 无需确认, 与TCP同属第4层协议。通过IP地址进行寻址, 最大发送数据量为2K字节。同TCP相比, UDP属于无连接的协议, 数据报文无需确认, 即发送数据方不确认返回报文, 单向向接收方发送数据。选择建立UDP连接只需要在Netpro下新建连接, 类型选择为“UDP”即可。可以看到此时的通讯通过IP地址和PORT号来收发数据, 此时该服务使用的协议为UDP协议。如图5所示[6]。
5 触发机制
在万能线工业以太网中, 只有采用TCP连接方式的SOCKET电文通讯技术才使用了触发机制, 其它连接方式为实时发送与接收数据[7]。
5.1 基础自动化级与过程管理级通讯触发机制
基础自动化级L1向过程管理级L2发送数据:L1向L2发送数据主要是物流跟踪事件, L2服务器作为服务端, L1中的PLC作为客户端, 通过定义的端口号, 当事件触发时, L1发出数据连接请求, 将事件号及事件附加数据发送给L2服务器, 作为物流跟踪的基础数据采集。
过程管理级L2向基础自动化级L1发送数据:L2向L1发送数据为轧制表数据和换辊数据, L2服务器作为服务端, L1中的PLC作为客户端, 通过定义的端口号, 实时接受L2轧制表数据, 当L2操作下发轧制表数据后, L1中接受的数据随之变更, 产生一个变更标志, 触发接受数据写入HMI界面, 同时操作人员进行检查确认。
5.2 基础自动化系统与TCS系统通讯触发机制
基础自动化系统向TCS系统发送轧制控制模式数据:TCS控制器作为服务端, 中的PLC作为客户端, 通过定义的端口号, 基础自动化系统每5秒发出一次数据连接请求, 将轧制操作数据写入TCS系统。
基础自动化系统向TCS系统发送轧制系统数据:TCS控制器作为服务端, 基础自动化系统中的PLC作为客户端, 通过定义的端口号, 基础自动化系统当轧件到达机前后每道次轧制完毕后发出数据连接请求, 将轧制系统数据写入TCS系统[8]。
6 结束语
万能线各控制级之间采用工业以太网方式进行连接, 自投入使用以来, 系统运行稳定、可靠, 为整个控制系统的正常运行奠定了坚实的基础, 证明了工业以太网方式满足自动化控制系统网络通讯的需求, 符合自动化控制系统数字化、网络化的发展方向。
参考文献
[1]冯冬芹, 褚健, 金建祥, 等.实时工业以太网技术—EPA及其应用解决方案[M].北京:科学出版社, 2013.
[2]陈一雷, 王俊杰.工业以太网的研究与发展[J].低压电器, 2002 (5) :35-38.
[3]王平.工业以太网技术[M].北京:科学出版社, 2007.
[4] (德) Alexander Bormann, (德) Ingo Hilgenkamp.工业以太网的原理与应用[M].北京:国防工业出版社, 2011.
[5]崔坚.西门子网络通信指南 (上、下) [M].北京:机械工业出版社, 2005.
[6]吴爱国, 李长滨.工业以太网协议Ether Net/IP[J].计算机应用, 2003 (11) :11-13.
[7]陈积明, 王智, 孙优贤.工业以太网的研究现状及展望[J].化工自动化及仪表, 2001 (6) :3-6, 11.
医院能源管理中的工业以太网应用 篇8
关键词：工业以太网,能源管理
为了保障大型医院的正常诊疗活动, 往往要消耗价值千万的能源用于满足空调、热水、餐饮、消毒、洗衣等工业需求, 而大型综合医院建筑面积大, 设备使用的分散性加大可靠的集中控制与管理的难度。工业以太网的应用不仅为精确控制、计量、管理能源带来技术上的可靠保障, 也实现了可观的经济效益。
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术。理论上, 工业以太网与商用以太网兼容, 但在实际设计时, 其适用性、实时性、可靠性、抗干扰性等优势完全能满足工业现场的需要, 是一种典型的工业通信网络。随着工业以太网技术的迅猛发展, 将其用于能源控制系统, 就可以达到能源使用过程的自动化, 无需到使用现场就可以在控制室对现场的生产过程进行远程监控, 通过对能源使用的精确控制, 实现可靠性与经济性的无缝结合。
一、精确控制医院三种热源
江苏省淮安市第一人民医院2号病房大楼建筑面积为45000m2, 设床位1000张, 主体建筑高15层、局部17层。15楼顶布置太阳能集热器, 有效容积20立方。太阳能集热器的补水方式为实时补水 (即用即补) , 热水不断被冷水冲对, 加之下行管线 (DN150) 太粗, 导致热水下送时管路热损严重。同时, 太阳能比冷水箱低10m, 使用时热水压力不足。因此除病区热水来源主要为空调节能改造后的废热与太阳能热水外, 不足部分由蒸汽供应。实际操作过程中, 只有通过工业以太网来实现精确控制, 将三种热源有效相结合, 才可保证热水可靠、稳定经济的供应, 并实现对三种热源精确计量需求。
(一) 管路系统改造方法
原太阳能系统补水方式为实时补水, 现通过添加两个电动阀分别控制太阳能的补水与送水以实现高温热水的充分下送, 即送完后补水。另外, 把原DN150管道改为DN80, 并用5cm橡塑材料实现外保温, 减少热水下送时的热量流失。
针对原系统下送压力不足问题, 添加一台增压水泵 (17m扬程) 。为尽量减少热水下送水箱后而产生二次提压时的电能消耗, 再利用一个管道电动阀, 尽量把热水直接添加到使用管网中, 见图1。
(二) 控制系统改造方法
太阳能集热器分布在2号病房楼顶, 由顶楼控制柜控制;100立方蓄能水箱位于2号病房楼地下室东部, 由地下室控制柜控制;中心控制室位于地下室中部, 为使三个控制地点达到可靠通讯, 使用工业以太网链接, 见图2。
顶楼控制柜主要用于控制太阳能补水与下送。热水下送完成后夜晚开始补水, 当太阳能集热器液位高位时, 停止补水。当集热器温度达到65℃时, 病房楼高区可用水, 同时热水使用系统下送许可, 开排气电动阀、增压水泵、下送电动阀, 水泵扬程随系统水压自动调整;当集热器温度达到65℃时, 病房楼中区用水, 同时热水使用系统下送许可, 开排气电动阀、下送电动阀 (中区用水不需要加压) ;当用水时间已过, 集热器还有热水, 同时蓄能水箱液位许可, 开水箱电动阀, 把热水送到水箱中储存。
地下室控制柜主要用于太阳能热水的分送与计量。通过以太网通讯与控制中心联系并做判断——把热水送回水箱, 还是使用管网;通过流量传感器测量热水流量;通过温度传感器测量热水温度;通过积分仪计算太阳能热值并上送控制中心用于计量。
控制中心通过以太网控制与显示整个系统工作状况以及计量与统计能源使用情况, 并对故障分析与报警。
二、能源管理与工业以太网应用分析
(一) 通讯网络结构分析
顶楼控制柜中欧姆龙CP1H与变频器、温度传感器、压力传感器通过Device Net现场数据总线相联系, 把太阳能集热器中的液位、温度与下送管道中的压力信息上送CP1H的CPU单元, 通过Ethernet/IP把控制中心参数的设定值和操作请求与地下室控制柜中CP1H的CPU单元中的蓄能水箱液位等信息综合处理后, 控制变频器, 与相关电动阀动作, 并其相关状态参数上送控制中心显示。
地下室控制柜中欧姆龙CP1H通过A/D模块测量蓄能水箱液位, 通过RS485通讯口和流量测量仪通讯读取太阳能热水流量信息, 在通过Ethernet/IP把控制中心参数的设定值和操作请求发送CPU单元处理后, 控制相关电动阀动作, 并把其状态参数上送控制中心。
控制中心通过组态王6.5, 实时显示整个系统相关状态;并把系统设置及操作信息, 通过OPC Server发送给下位机CP1H的CPU单元。在这个通过Ethernet/IP形成通讯网络中, 控制信息得以稳定、快速的传递。
(二) 能源管理的实现
在淮安市第一人民医院的热水供应中, 热源分散——太阳能位于2号病房楼楼顶, 可利用的废热主要产于2号楼的空调系统, 一高一低无法单独控制, 而工业以太网的应用为相关的控制信息提供了稳定、快速的信息通道, 使三种热源相互配合, 热水供应得以充分保证。
三、结束语
工业以太网为医院能源管理提供了一个可靠高效的信息网络, 为医院深入实时的了解水、电、气实际消耗情况分析提供科学的依据, 为有效控制浪费, 高效使用资源创建良好的信息平台。
参考文献
[1]杨帆, 张彩丽.一种通用远程监控软件的设计与实现[J].计算机测量与控制, 2006, 14 (10) :1417-1419
[2]王淼, 赵双喜.太阳能并网系统的远程监控软件[J].电气技术, 2008, 12:46-49
工业以太网应用 篇9
关键词：工业以太网,视频监控系统,安全运行,经济和社会效益
0 引言
建设高产高效现代化矿井是当今世界煤炭生产发展的主流, 并以一矿一面或一矿两面的生产模式实现高产高效。对煤矿各个生产与保障环节的主要参数进行监测与控制, 是煤矿安全生产的重要保障。煤矿井上、井下光纤工业电视系统的实施, 对安全生产、调度指挥、科学决策提供了直观、可靠的手段。
传统的工业以太网一般只能传输各种数字信号, 而不能传输视频图像, 该系统则把这些要害 (危险) 区域进行数字化, 应用视频服务技术把视频信号转变成数字网络信号, 通过网络传输到地面或井下其它地方。这样在地面或是在井下可以随时接入网络, 实时监控这些要害 (危险) 区域。
1 概况
夹河矿-600~-1 010 m轨道暗斜井斜长1 150 m, 平均倾角21°, 担负着从-600 m水平至-1 010 m水平排矸、运送材料设备的任务。斜巷主要安全设施有安全门、道挡、捕车器。安全设施操作系统全部实现远控风动操作。道岔安装司控道岔。斜巷使用泄露通讯系统, 方便斜巷检修人员及时与岗位人员联系。斜巷使用语言声光报警装置, 运输绞车采用先进3 m液压绞车。
1.1 系统组成及实施情况
基于工业以太网视频监控系统采用分布式控制结构, 主要由井下控制分站、防爆监视器、矿用本安型光纤摄像仪、矿用本安型显示控制箱、可编程控制器、隔爆兼本安电源箱、红外人体感应传感器、矿用光纤等组成。系统留有接口, 数据由工业以太网传到地面, 以便地面了解斜巷轨道及绞车运行的情况。可编程控制装置对矿井斜巷跑车防护装置、矿井斜巷变频绞车装置、矿井斜巷信号保护装置、斜巷矿井道岔控制装置等系统信息集成接入, 并通过辅助监控系统组成一个全方位的斜巷轨道综合监控系统。
根据煤矿的具体情况可以设定不同的运行方式, 通过RS485总线与现场PLC设备进行通讯, PLC设备上获取各种数据, 然后利用组态软件以文本或图形方式显示在显示屏上, 实时显示矿车运行轨迹、跑车防护装置位置状态、绞车参数信息、声光报警状态等信息。
夹河矿-600~-1 010 m轨道暗斜井监控系统改造后, 现场4个车场各安装1台本安型光纤摄像仪, 车场上口及岔道口共安装本安型人体红外传感器8台, 绞车房安放隔爆监视器 (四画面) 1台, 隔爆兼本安型可编程控制器1台, 本安型显示控制箱1台。隔爆显示器能实时显示各车场及岔道的视频信号, 本安型显示控制箱显示绞车运行状态、各人体红外传感器状态。当绞车运行时, 人员误入后会触发人体红外传感器, 系统声音报警, 绞车司机可综合参考隔爆显示器和显示控制箱判断行人误入轨道车场位置, 并采取相应措施。相应措施为: (1) 在井下绞车操作室, 司机可通过防爆监视器对各车场环境进行监视, 司机开车前可以由画面判断现场情况, 利用本安型显示控制箱对各车场道岔、挡车栏进行监控, 并能发出报警信号; (2) 在斜巷各道岔车场及道岔躲避峒室入口安装人体红外传感器, 可在绞车启动前, 对整条斜巷入口以及道岔躲避峒室入口处全程扫描, 实时检测斜巷内人员信息, 绞车启动人员误入轨道及时报警; (3) 隔爆兼本安型可编程控制器采用PLC作为控制中心, 采用串行通信方式可对信号、道岔监测传感器、人体监测传感器等检测、执行设备的状态实时监测, 通过程序指令达到各种闭锁要求。把矿井斜巷跑车防护装置、矿井斜巷变频绞车装置、矿井斜巷信号保护装置数据信息整合接入, 并按照矿方实际需求进行编制, 具备以太网扩展接口; (4) 对绞车保护的运行状态进行监测, 可编程控制器采集绞车电机的电压、电流、道岔状态、挡车栏状态、绞车速度、深度、信号闭锁等, 提示司机做出什么反应, 保证绞车的安全运行。
1.2 系统主要性能指标
(1) 实现功能。该控制系统采用1套可编程控制装置, 可编程控制装置PLC采用西门子S7-300系列。可编程控制装置能够监测轨道各个片盘的道岔关闭程度等系统信息集成接入, 并通过辅助监控系统 (隔爆兼本安工业液晶显示器、矿用本安型光纤摄像仪) 组成一个全方位的斜巷轨道综合监控系统。
(2) 图像显示功能。可在隔爆兼本安型工业液晶显示器显示视频图像, 实时显示各轨道及车场, 片盘人员流动及行车情况。
(3) 数据显示功能。可在本安型显示控制箱实现斜巷轨道的道岔状态, 监测斜巷轨道运输系统工作状态。也可将隔爆兼本安型可编程控制器与工业以太环网联网, 实现更高层级综合监控。
(4) 闭锁功能。可实现轨道线路闭锁、电控道岔闭锁、防护栏闭锁功能。信号装置与甩车道岔位置闭锁, 道岔只有在该阶段运行时方可搬动。实现各水平道岔闭锁, 打点工对道岔检查, 若其位置不对、道岔状态不正常和安全设施不在正常位置时, 除发出报警信号外, 信号工还发不出开车信号。
(5) 条件关联功能。该装置能依据轨道线路的开通状态和设备自检状态, 与相应保护装置实现检测。实现与绞车控制装置的关联功能。
(6) 语音报警功能。绞车启动后, 发现有人误入斜巷运输区域, 实现报警提示。
(7) 电气防护功能。可根据设定的超限参数, 实现对斜巷轨道运输系统的超速、超限报警。
(8) 系统联网功能。预留工业以太网网络通讯接口, 可方便与全矿井工业以太网及全矿井综合信息化、自动化系统有效结合。
2 技术水平, 经济、社会效益及推广应用的前景
2.1 技术水平
该系统在井下要害 (危险) 场所设立摄像仪, 通过电缆或者光纤传输到隔爆兼本安型液晶显示器进行实时显示。这些图像通过矿用本安型视频服务器进入井下隔爆型交换机, 通过隔爆型交换机传输到地面内部网, 在网络上所有经过授权的计算机上或电视机上进行显示。该技术目前国内还算比较先进。
2.2 经济社会效益
该项技术的应用, 可以实时监督和监控井下要害 (危险) 场所的现场情况, 在工作区域和施工现场可以监督现场工作和施工人员的工作进度和违章情况, 在危险的有人职守区域将摄像仪改为远程监控区, 这样就可以避免或减少井下各个要害 (危险) 场所事故的发生, 减少了现场维护设备和岗位人员, 为保证煤矿安全生产具有重大意义, 经济和社会效益显著。
2.3 推广应用前景
该项技术适应井下各个要害 (危险) 场所。其技术功能齐全、操作简单、结构合理, 安装空间小、制造成本低、经济实用、性能安全可靠。在煤矿井下具有广泛的推广应用前景。
3 结论
工业以太网应用 篇10
随着计算机网络技术的发展以及工业以太网技术的完善和成熟,工业测控系统走向网络化已成为必然的趋势。但是,传统的串口通信及现场总线通信方式,通信距离短、速度慢,难以满足大量数据信号实时传输的要求。随着计算机技术的发展,局域网、广域网在工业测控领域中大量应用,通过以太网进行通信,不仅数据传输速度快、容量大,且组网灵活、扩展方便[1]。
随着以太网宽带接入技术的兴起和快速以太网的发展,以太网技术又迎来了另一个发展高潮,各类技术应用层出不穷。为了利用以太网快速、可靠、廉价的特点,各类终端可靠地接入以太网是其中最基本的一个环节。目前,终端接入以太网主要有两种方法:一种是基于微机环境,通过在总线槽内插入各类网卡实现,该方法快捷、可靠,缺点是须微机环境的支持,限制了其使用范围;另一种是从物理层和MAC层进行设计以实现各类嵌入式系统的接入,在该方法中,有许多以太网接入芯片--以太网控制器(EC)可供选择。
本文介绍了SMSC公司第三代快速以太网控制器LAN91C111的特性,利用其设计了面向TMS320F2812DSP的嵌入式以太网模块,并将轻型的TCP/IP协议栈———Lw IP移植入系统当中,初步的测试结果已表明其具有良好的通信性能。
2 LAN91C111以太网控制器简介
LAN91C111是SMSC公司推出的第三代快速以太网控制器,是为嵌入式应用系统设计的非PCI接口控制器。该芯片集成了CSMA/CD协议的媒体访问控制层MAC和物理层PHY,内部具有8kB的FIFO存储器,符合IEEE802.3/802.3u-100Base-TX/10Base-T规范,可自适应工作于100/10Mbit/s和全/半双工模式,功耗低、尺寸小,非常适合快速以太网接入应用[2,3]。
3 嵌入式以太网模块
目前,高端的工业测控装置大量采用DSP控制器作为主CPU。TI公司的TMS320C28x芯片系列建立了自身的工业标准,具有强大的指令集合、很强的灵活性、高速的数字处理能力及全新的内部结构。该系列产品中TMS320F2812(F2812)是32位定点DSP芯片,可对大量数据进行处理分析,并可快速完成傅立叶运算,能够满足测控装置的控制及运算要求。另外,它带有外部存储器接口,可接多达1.5M字的外部存储单元,并提供四个独立的片选端,且等待状态数可编程,使高速DSP与低速外设易于配合,实现海量存储。本文选用了TMS320F2812 DSP及LAN91C111设计实现了嵌入式以太网模块(图1)。
嵌入式以太网模块的设计,首要任务是确定嵌入式以太网与主控制器的接口方式、读写时序、编码地址等。LAN91C111控制器支持通用标准时序,在读写访问时序上与DSP完全兼容,因此RD-和WE-引脚可直接受控于F2812的读写控制信号。LAN91C111接收到数据后,将产生中断请求送进F2812的XINT1引脚,触发外部中断。对以太网控制器芯片的操作,主要是通过对其内部寄存器的操作来完成的。复位时LAN91C111的基地址缺省为0x300,对应外部A15~A4引脚为状态为″000000110000″,因此在设计中将A15~A10、A7~A4接地,A9~A8通过拉电阻(图中未画出)接至3.3V。LAN91C111内部寄存器地址为0x300~0x30E,且仅以偶数地址寻址,因此,本文中将A8、A9上拉至高电平后,利用F2812的A9~A7地址线连接LAN91C111的A3~A1引脚,用于寻址控制器内部的8个偏移地址,使控制更加简单、可靠。
4 LwIP协议栈
TCP/IP协议非常庞大而且复杂,自己编程实现难度很大;而挂靠操作系统(如Linux等)的TCP/IP,存在对内存空间要求很高等问题,在一般的微机装置中不易实现。LwIP可以移植到操作系统上,也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP协议栈的实现是在保持TCP/IP协议栈基本功能的基础上,减少硬件资源的占用。一般它只需要几十k的RAM和40k的ROM就可以运行了,这使Lw IP协议栈非常适合在嵌入式系统中使用。LwIP的特性包括:支持多网络接口下的IP转发;支持ICMP协议;支持扩展性的UDP报文;支持转发的TCP报文;提供专门的内部回调接口(Raw API)用以提高应用程序性能等。LwIP使用的进程模型是所有协议都驻留在一个单独的进程中,与操作系统内核是分离的;应用程序可以驻留在LwIP进程,也可以是分离进程;TCP/IP和应用程序之问的通讯,可以通过函数调用(应用程序与LwIP共享进程时),也可以通过更抽象的API,这种与操作系统分开的进程模型可以方便在不同的操作系统上进行移植[4]。
目前,嵌入式以太网的传输协议并没有统一的标准,在不同的工业应用场合对其要求各异,如对于通信频率高、要求实时性好、速度快的通信,可以选用无需建立连接且响应快的UDP协议作为传输协议;而在对可靠性要求高,需要进行连接、流控制的通信,则要求采用高可靠性的TCP协议[5,6,7]。本文在对LwIP进行编译后,发现TCP代码占总代码的一半左右,但全部代码也仅约20kB。因此,本文通过对LwIP协议栈完整的移植,使该系统既支持UDP协议,也同时支持TCP协议。
5 嵌入式以太网的通信测试
本文在完成了硬件平台的搭建和软件的编写后,为了对嵌入式以太网的通信能力有更直观的了解,利用局域网对嵌入式以太网的通信能力进行了初步测试,证明了该嵌入式以太网具有良好的通信性能。
首先,将一台PC机和嵌入式以太网的RJ45接口通过2条超5类B标准非屏蔽双绞线连接到一个100Mbit/s的集线器,集线器暂时不与外网连接,此时子网中只有PC机和嵌入式以太网2台主机,并在LAN91C111的寄存器中将其物理地址设置为02:02:02:02:02:02,以便将其与普通PC机的网卡地址区分开来。PC机与嵌入式以太网的IP地址分别设置为192.168.1.1和192.168.1.2,通过PC机Ping嵌入式以太网并用Sniffer软件观察通信过程(图2)。由图2可以看到,PC机首先发出ARP请求嵌入式以太网的物理地址(MAC地址),得到嵌入式以太网的回复后双方开始进行ICMP通信。以上测试是在子网中仅有2台主机的情况下进行的测试。为了考验更严酷情况下以太网的工作情况,将PC机和嵌入式以太网的IP地址分别改为198.38.204.110和198.38.204.155,并将集线器连接到局域网中,在这个局域网中共有几十台主机和一台服务器。借助TCP-UDP应用开发调试助手向嵌入式以太网发送UDP数据包,当以太网接收到以后,以相同的内容发送回来给PC机,将PC机的UDP接收端口设为1087,嵌入式以太网的端口设为5001,使其每1ms发送一次。在测试UDP通信的同时,用PC机从服务器下载一个700MB左右的文件,将网络的应用率在短时间内提高到超过80%,此时,嵌入式以太网的UDP通信仍然畅通无阻。本文利用Sniffer软件在短时间内抓取到了8000多个以太网帧并进行分析,如图3所示。序号为8005的以太网帧是由PC机发送给嵌入式以太网的UDP包,它的时间标签为771ms。嵌入式以太网在接收到UDP包后立即发送一个相同数据内容的UDP包。序号为8020的以太网帧是由嵌入式以太网发送给PC机的UDP包,它的时间标签为772ms。由此易得,从PC机发送UDP包到接收到嵌入式以太网发回的UDP包,只经历了大约1ms的时间。
6 结论
本文根据工业测控系统对通信的要求,设计了基于TMS320F28122812的嵌入式以太网模块,并将轻型TCP/IP协议栈LwIP移植入系统当中,最后通过实验验证了嵌入式以太网模块在高网络使用率的情况下,仍然具有良好的通信能力。
参考文献
[1]赵金荣,王海峰.基于嵌入式以太网的变电站自动化系统的实现[J].电力系统自动化,2004,28(11):79-89.
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工业以太网应用 篇11
关键词：SDH GFP协议 帧
1 SDH原理与GFP协议
自上世纪80年代中期以来，光纤通信在电信网中获得了大规模应用，从而使得光同步数字传送网(SDH/SONET)逐渐成为新一代电信网的主要传送体制。
SDH指的是一种传输体制，称为同步数字系列，它是由一些SDH网络单元(NE)组成，在光纤(或卫星，微波)上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。其主要特点有：有全球统一的网络节点接口，兼容性强；采用了同步复接的方式和灵活的复用映射结构；强大的网络管理功能；SDH网络各单元都同步于一个高精度的时钟，可以减少频率调整，改善网络性能。SDH以STM-1为基础，使用块状的帧结构，STM-N信号采用字节间插的同步复用合成，支路信号在一帧内分布均匀，有规律，以便接入和取出。而以太网数据最终将映射到SDH的帧结构中才能在SDI]网络中传输。
EOS技术，就是直接将本地网件，传输的以太网帧按照某种以太网封装协议(PPP/HDLC，LAPS，GFP)，经过简单封装，再映射到能够在SDH设备之间传输的SDH帧中，然后通过SDH传输线路实现点到点的传输。EOS系统的实现是通过在SDH设备上增加以太网接口或采用以太网交换机，由以太网接口或交换机提供帧映射和VC级联等功能。
近年来由于数据业务的迅速发展，一方面增加了对光传输容量的需求，另一方面也提出了如何有效地将数据业务如Ethernet，IP，光纤通道以及光纤连接和企业系统连接等多种客户侧信号映射进SDH中传输的问题。因此，应运而生了SDH承载数据业务的3个关键技术之一为GFP。GFP是一种先进的数据信号适配、映射技术，通过它可以透明地将上层的各种数据信号封装为可以在现有的传输网络中有效传输的信号。
2 在SDH上传送以太网业务的GFP协议的应用
众所周知，以太网业务的数据具有突发和不定长的特性，而在SDH传输网上传输的帧要求提供连续帧流，因此需要引入合适的数据链路层适配协议来完成以太网数据封装，包括数据缓存、队列调度等，实现以太网数据到SDH VC的帧映射。
目前，有三种链路层适配协议可以完成以太网业务的数据封装。而GFP通用成帧规程协议是其中之一。本文主要从这个方面展开。GFP方式的基础是SDL，是一种先进的数据信号适配、映射技术，通过它可以透明地将上层的各种数据信号封装为可以在现有的传输网络中有效传输的信号。
GFP是一个完整的协议，具备两个标识选项和两个负载对应选项。除了Ethernet以外，它还能实现对PPP、光纤通道以及光纤连接(FICON)和企业系统连接等数据的映射，从而使这些在SAN网络中广泛应用的数据可以很方便地在WAN中传输。
GFP帧有两到三位的标识位、负载和32位的FCS选项。每个标识位都有16位的CRC保护。首先是核心标识，它通过负载长度指示器来标识帧长。接下来是类型标识，包含了封装负载的类型代码。扩展标识位是一个选择性标题，它可以处理逻辑链路、服务类别以及源/目的地址。在简单的以太网点对点应用中可以省略这个标识。最后则是负载数据和一个32位的FCS选项(CRC)。除了核心标识以外的所有栏位，都必须通过尹3+I的自同步扰码处理，以确保不会受到有害封包的影响。如果没有数据要传送，就会送出空闲帧。空闲帧是一个长度标识设置为0的核心标识。
GFP的帧结构包括GFP帧头GFP净负荷区两部分。其中GFP净负荷区包括:净负荷头、净负荷信息域和净负荷的帧检验序列三部分，而净负荷头包括:净负荷类型，净负荷类型的I-IEC和GFP的扩展头三部分。
GFP帧头包括帧长度标识PLI和帧头错误检验。PLI为2个字节，标明帧的净负荷的长度，帧头错误检验也为2个字节，它采用CRC-16的检错方法给帧头提供保护。这是UPP一大特点，它通过计算接收到数据的帧头CRC检验值与数据本身比较来实现帧的定位，通过PLI知道帧的长度，这样就可迅速、直接地把净负荷从GFP帧中提取出来。
GFP帧要实现两项非常重要的功能:捕获GFP帧头以及保持帧同步。帧同步情况分为同步状态、预同步状态和搜索状态。由预同步状态到同步状态所需的有效帧头数目N可以由使用者配置。搜索状态为链路链接初始化或GFP接收器接收失败时的基本状态。接收器使用当前的4字节数据来搜索下一帧，如果计算出的Core HEC值与数据域中的Core HEC值相同，则接收器暂时进入预同步状态，否则，它移到下一字节继续进行搜索。预同步状态时，根据PLI能够确定帧的边界，当连续N个GFP帧被正确检测到，则进入同步状态。同步状态为一个规则的操作状态，它检查PLI值，确定Core HEC值，提取帧的P DU(协议数据单.元)，然后到下一帧，如此循环，各状态之间的转移。
GFP帧格式中扩展帧头中的环扩展帧头，用以支持多客户通过环结构来共享GFP帧的净负荷，其与IEEE 802.17 RPR的MAC类似。由此可见，GFP提供一个灵活的扩展帧头以适应多样的传输机制，这就为SDI-I提供灵活广泛的应用，是HDLC所无法比拟的。
同时GFP通过其特有的两种传输模式:Frame-Mapped GFP帧映射的GFP和Transparent-Mapped GFP(透明映射的GFP)来提供多种业务的接口。Frame-Mapped GFP主要是面向分组交换的，用作传输IP协议、多协议标一记交换(MPLS )和以太网的数据流。Transparent-Mapped GFP，主要是实现对时延敏感的SAN网的线路码的高效和透明地传输，它面对的是Fiber Channel, FICON和ESCON接口的数据流。而下一代的SDH的各种业务都可以通过rtl，进行封装后在S DH上传输。使用kill P一方面一可以克服ATM开销大的缺点，同时它还能避免LAPS/PPP/HDLC采用帧标志定位带来的一系列缺点，另一方面它又能提供各种数据接口，使SDH能提供各种业务。因此GFP为下一代SDH新业务EOS的最关键技术。
为模拟实际应用中以太网数据在在两个网元之间的传输情况，建立相应的测试环境。对以太网帧格式测试。测试目的：测试以太网帧格式字段的透明传送能力。测试过程：首先，连接网络；然后，NE1和NE2之间配置若干个VC—12连接；再用Smartbits从端口1向端口2发送以太网II型帧；最后用Smartbits从端口1向端口2发送802.3格式帧。测试现象：两种帧格式的以太网包都收回了。测试结论：Smartbits的接收端能够收到发送的802.3格式和以太网II型格式的数据包。
总之，目前在通信网络技术中有两大主流技术，一个是以太网技术，另一个是传输网SDH技术。若要进行长距离连接则还需追加投入巨额成本，而且以太网无法实现端到端的远程管理，无法保证传输信息的安全性。在长距离传输中，大部分采用SDH技术，SDH的维护通道与净信息是分开的，对净信息要进行扰码，因此SDH帧不容易被截获，从而SDH帧中所封装的信息安全性非常高。
参考文献：
[1]吴江，赵惠玲.下一代的IP骨干网络技术.人民邮电出版社.2001年1月.
工业以太网应用 篇12
日照钢厂本着建设节约资源型、环境友好型企业的方针, 投资成立了日照京华新型建材有限公司。该项目设计能力为年产4.8×106t矿渣微粉, 分两期进行, 一期工程为2.4×106t矿渣粉生产线, 该工程由两条生产线构成, 生产线采用了国际先进、成熟的集烘干、粉磨、选粉于一体的立磨工艺和设备, 其主机引进了德国LOESCHE公司LM56.3+3S辊式立磨系统两套, 全部投产后将是国内乃至世界上最大的矿渣粉生产企业。该技术的应用, 开创了我国大型粉磨技术的应用历史 (图1) 。
1 系统概述
该厂全部投产后共有4条生产线, 过程自动化控制在整个工厂形成一个整体网络, 信息交换领域也从现场设备控制层扩展到企业管理层, 以网络为主干的自动化分布控制系统成为整个工厂的迫切需要, 网络通信的实时性和可靠性成为工业信息化的重点, 网络通信问题成为整个自动化控制系统的灵魂。为更好地实现将来整个工厂4条生产线的实时监控和数据共享, 将整个工厂控制系统构造成一个系统网络。考虑到系统网络的实用性、稳定性、实时性和先进性。采用工业以太网技术可以满足工业场合的工况恶劣、强干扰等特点, 使网络完全能胜任系统控制要求。
工业以太网最早出现在1972年, 由XeroxPARC所创建, 于1982年公布了以太网规范, IEEE802.3以这个技术规范为基础制定。如今的控制网络中, 以太网已经成为企业层和控制层的主要网络技术。利用工业以太网可提供适用于工业领域、符合标准IEEE802.3 (以太网) 和802.11 (无线局域网LAN) 的高性能区域网络和无线网络。通过工业以太网可以构建起大跨距的高性能通讯网络。
2 系统设计方案
针对立磨系统要求可靠性高, 结构复杂, 测量及控制点多等特点, 控制系统设计要本着技术先进、运行稳定和系统安全的原则, 实现整个系统全过程控制、监控、保护、报警、显示、计量、管理等功能。
因为整个控制系统庞大, 要求可靠, 运算复杂, 各子系统的PLC选用SIEMENS的S7-400系列控制器及其模块, 采用扩展机架连接, 并配置工业以太网络模块, 通过工业以太网实现系统网络的集成。
2.1 网络硬件
硬件如下:主环网工业以太网交换机SCALANCE X-400, 主环网工业以太网交换机SCALANCE X-300, 工业以太网络通信介质为单模光纤和五类双绞线, Profibus网络通信介质为屏蔽双绞线。
2.2 网络软件
软件如下:Step 7 V5.4 SP1, SIMATIC NET V6.2。
2.3 网络拓扑结构
整个工厂的主干网络通过SCALANCE X-400、SCALANCE X-300构成1000Mbit/s的环形冗余拓扑结构, 到每条生产线的数据通信都采用1000 Mbit/s快速以太网。全厂网络拓扑结构见图2。
3 系统组成
3.1 矿渣输送子系统
包括9个矿渣来料点, 通过对36条输送皮带机及皮带配套的振动筛、除铁器等设备的控制, 使炼铁的水渣输送至矿渣堆场, 再由矿渣堆场3台堆取料机 (采用无线通讯方式) 完成矿渣来料、堆料和取料、上料的控制。
矿渣输送子系统有6个远程站, 包括3个皮带输送廊子站和3个堆取料机子站。每个远程站的距离相距约300 m, 通讯线路总长度约1 800 m。子站与主站的通信通过Profibus实现, Profibus如采用双绞线介质通信, 当通信速率超过3Mbits/S时, 其通信距离不能超过100 m, 而该站的每个子站的距离达到300 m, 为保证通信的可靠性, 将通信介质换成光纤, 这样提高了控制系统的可靠性, 这是因为光传输具有不怕电磁干扰、传输距离远、稳定可靠、可以和动力电缆一起敷设的优点。与子站的通信介质改成光纤需要增加光纤链路模块 (OLM) , 实现传输介质的转换, 并保持了Profibus通信协议, OLM能将电气和光学传输混合使用, 能达到最佳的拓扑结构 (线形、环形、星形) , 它能在长距离传输信号。本套系统现场PLC的CPU型号为:S7-417。3台堆取料机采用无线通信, 通信接口为以太网。网络结构见图3。
3.2 矿渣粉磨子系统
矿渣粉磨是整个系统的关键工艺 (图4) 环节, 采用了LM56.3+3S立磨, 台时产量可达到160 t。主电机为10 kV 5 100 kW中压电机, 主风机电机为6 k V, 2240 kW中压电机。控制系统主要包括立磨控制和热风炉控制, 其中热风炉控制由厂家配套, 需要和立磨PLC通信, 通信接口采用Profibus。选粉机变频器选用SIEMENS 6SE71系列, 与立磨PLC通信接口为Profibus。主风机变频器选用A-B公司PowerFlex70006 kV中压变频器, 采用Profibus与粉磨PLC进行通信。由于矿渣粉磨系统的控制信号、监测信号和控制设备多, 工艺和连锁关系复杂, 系统设计时采用西门子S7-417 CPU作为控制器, 采用扩展机架连接, 并配置工业以太网络模块, 通过工业以太网实现系统网络的集成, 网络通信介质采用光纤传输, 保证系统的传输速度和抗干扰能力, 确保系统的安全。矿渣粉磨系统网络结构见图5。
3.3 矿渣粉库子系统
矿渣粉储存库系统采用4-Ф18×56 m伊堡库 (IBAU) , 矿渣粉总储量4 400 t。系统主要由库底充气阀、气动闸门、电动闸门、罗茨风机等设备构成。其中每个库底一共有18个充气阀, 分为6个充气均化区, 每个充气均化区有3个充气阀, 分别为n, nI和nII。其中n号阀为卸料斜槽充气, nI和nII为充气箱充气。循环卸料分为对区的充气、卸料和单区循环的充气、卸料。控制系统采用每次开启一个区循环卸料方式。每次打开一个区的3个阀门, 同时充气和卸料, 从一区至六区的按照设定的时间循环开启, 每个完整大循环要完成6次卸料区的切换。
矿渣粉储存库子系统设一个PLC子站, 实现库底设备控制。PLC的CPU型号为S7-315, 通过Profibus网路扩展ET200机架, 并留有以太网接口, 实现与上级的网络通信。
3.4 混料机及钢渣粉库子系统
厂区同时还配有钢渣粉生产线, 采用混料机实现钢渣粉与矿渣粉的配比混合或矿渣粉与水泥熟料粉的混合, 形成多种产品系列。混合粉库采用2-Ф18×56 m伊堡库, 混合粉总储量2 200 t。伊堡库的结构能更好的将粉料在库内进行二次混合。
混料机及钢渣粉储存库子系统主要实现混料系统和钢渣粉库自动控制, 钢渣粉库底设置一个子站, 实现混料机房设备和钢渣粉库底设备控制。PLC的CPU型号为S7-412, 扩展一个机架, 采用以太网接口实现与上级的网络通信。
3.5 煤粉制备子系统
煤磨主机设备采用立磨, 由热风炉、原煤上料、原煤粉磨、煤粉收集、煤粉输送等系统构成。生产出的煤粉通过管道输送至矿渣立磨热风炉的煤粉仓, 供矿渣磨热风炉使用。系统功能比较独立, 位置也较为独立, 设备控制柜设在煤磨的电气控制室内, 设置一套控制系统。
由于煤磨设备厂家本身自带一套PLC用以实现煤磨主体设备自动控制, 所以该系统除了实现热风炉, 原煤来料、煤粉收集及输送设备外, 还需要和煤磨PLC的通信, 其通信方式采用工业以太网。本套系统现场PLC的CPU型号为:S7-417。
4 系统监控
整个工厂四条生产线的控制通过中控室实现。工业的现代化很大程度体现在工业过程的自动化, 其中信息的传输, 数据的交换成为评判工业自动化水平的因素, 监控站是整个工厂的网络基础, 也是整个工厂生产控制的关键。
监控站采用DELL公司Precision系列商务工作站, 数量为8台, 其硬件配置如下。内存:1 GB, 硬盘:160 GB, 处理器:英特尔双核2.2 GHz, 显示器:22”液晶。
数据服务器采用DELL公司商务数据服务器, 数量为2台, 其硬件配置如下。内存:1 GMB, 硬盘:146 GB, 处理器:英特尔四核2.0 GHz, 显示器:22”液晶。
软件系统软件如下。
数据服务器如后。
操作系统, Windows 2003 Server;数据库, SQL Server 2005。
工程师和操作员站如后。操作系统, Windows XP SP2;编程软件, Step 7 V5.4;监控软件, WinCC V6.2。
5 结论