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工业以太网与实时以太网协议剖析

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该文章讲述了工业以太网与实时以太网协议剖析的电路原理和应用
摘 要:分析了工业以太网专题">工业以太网与实时以太网技术特点,介绍了IEC国际标准体系中的工业以太网协议。
关键词:工业以太网专题">工业以太网 实时以太网 国际标准

1 引言

随着计算机、通信、网络等信息技术的发展,信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场,因此,需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台,建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。

工业控制网络作为一种特殊的网络,直接面向生产过程,肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务,并产生或引发物质或能量的运动和转换,因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。

在这种背景下,20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技术,以全数字的通信代替4~20mA电流的模拟传输方式,使得控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息,而且能够传输现场仪表的大量非控制信息,使得工业企业的管理控制一体化成为可能。并且促使目前的自动化仪表、DCS和可编程控制器(PLC)等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革。

现场总线技术在其发展过程中存在不足:

(1) 现有的现场总线标准过多,仅国际标准IEC61158就包含了8个类型,未能统一到单一标准上来;
(2) 不同总线之间不能兼容,不能真正实现透明信息互访,无法实现信息的无缝集成;
(3) 由于现场总线是专用实时通信网络,成本较高;
(4) 现场总线的速度较低,支持的应用有限,不便于和Internet信息集成。

2 工业以太网专题">工业以太网

什么是工业以太网专题">工业以太网?一般来讲,工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但在产品设计时,在材质的选用、产品的强度和适用性方面能满足工业现场的需要。即满足以下要求:

(1) 环境适应性
包括机械环境适应性(如耐振动、耐冲击)、气候环境适应性(工作温度要求为-40~+85℃,至少为-20~+70℃,并要耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN 50081-2、EN 50082-2标准。
(2) 可靠性
工业以太网专题">工业以太网产品要适应工业控制现场的恶劣环境。
(3) 安全性
在易爆或可燃的场合,工业以太网专题">工业以太网产品还需要具有防爆要求,包括隔爆、本质安全两种方式。
(4) 安装方便,适应工业环境的安装要求。

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地工作的问题,一些公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品,安装在标淮DIN导轨上,并有冗余电源供电,接插件采用牢固的DB-9结构。另外一些公司还专门开发和产生了用于工业控制现场的加固型连接件(如加固的RJ45接头、具有加固RJ45接头的工业以太网专题">工业以太网交换机、加固型光纤转换器/中继器等),可以用于工业以太网变送器、执行机构等。工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别如附表所示。

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3 实时以太网

众所周知,以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制,而具有通信不确定性的特点,并一度成为它应用于现场总线的主要障碍。因此,仅仅通过采取一些措施,提高以太网设备应用的可靠性和环境适应性,工业以太网专题">工业以太网仍然没有能够解决通信实时性问题。
为此,世界各大公司开始研究基于以太网的通信确定性和实时性问题,并取得了一些重要成果,其中有些成果已通过了工业现场的实际应用验证。

2003年5月,IEC/SC65C成立了WG11工作组,旨在适应实时以太网市场应用需求,制
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