工业以太网的意义及其应用分析.docx
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工业以太网的意义及其应用分析
工业以太网的意义及其应用分析
以太网技术在工业控制领域的应用及意义
随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。
现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。
现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。
随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。
目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。
由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。
Ethernet通信机制
Ethernet是IEEE802.3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。
Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。
在OSI/ISO7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。
自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。
Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：
某节点要发送报文时，必须先监听网络，如果网络繁忙则坚持监听网络，一旦网络空闲就发送数据;在发送数据过程中继续监听，如果检测到冲突则立即停比发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点此时的网络己经发生冲突，此时冲突各方卞动退避随机等待一段时间后再重新监听网络，该随机时间由BEB（BinaryExponentialBack-off）算法确定。
传统商用以太网主要缺陷及解决方案
由于Ethernet是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境的要求，将传统的Ethernet用于工业领域还存在明显的缺陷。
但由于其技术简单、完全公开，通过不断改进、提升，市场占有率越来越大，而成本越来越低，进而变成主流。
据VDC（VenrureDevelopmentCrop）调查报告，如今己有约95%的网络节点具有Ethernet接口。
随着IT技术的快速发展，Ethernet引进了许多新技术和新标准，不仅提高了Ethernet实时能力，还进一步增强了柔性和可靠性，使Ethernet应用于工业现场设备之间的通信成为可能。
交换机是数据链路层的多端口网桥，也可以说是一种智能HUB它能够读取正在传送的数据的目的地址并把它转发到相应的端口，在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接。
从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出。
在普通交换设备中，一个节点传送的数据都要被广播到其他的各个节点，采用了交换技术之后，发送的数据通过交换机就直接送到了希望接收的目的地址，这就使得多个数据可以同时发送。
交换机主要用来把网络分成不同的冲突域，同时对网络进行扩展。
这种网络的性能主要由传输和接收的元件性能决定。
通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路。
这样，在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。
交换式Ethernet克服了传统Ethernet的缺点，大大提高了网络性能，使原来的共享式带宽变成了独占式带宽.较好地解决了带宽问题。
对于普通共享式Ethernet，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（如100Mb/s）的N分之一；而使用交换机之后，虽然数据传输速率仍为100Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此整个局域网的可用带宽相当于N*100Mb/s。
使用交换机，还可以对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点之间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需要经过主干网，也就不会占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。
而全双工通信又使得端口间两对传输线路（双绞线或光纤等）上分别同时接收和发送报文帧，而不发生冲突，因此也不再受到CSMA/CD的约束。
全双工交换式Ethernet已经成为一个确定性网络，不会因冲突而引起通信非确定性，Ethernet的通信实时性得到了保障。
工业可靠性
由于传统的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。
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，可恢复性以及可维护性。
随着技术的发展，Ethernet的网络传输线已从昂贵且难以安装的同轴电缆变化到廉价的非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力可与4~20mA模拟传输线路相当，如果需要更强大的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤网络。
为了提高工业以太网的工业可靠性，在进行系统设计时，可通过可靠性设计提高现场设备的可靠性；采用环形冗余结构Ethernet以提高系统的可恢复性；采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。
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。
以太网系统的本质安全包括几个方面，即工业现场Ethernet交换机、传输介质以及基于Ethernet的变送器和执行机构等现场设备。
由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60~70mA的这种缺陷已经得到解决，因此过去低功耗的Ethernet现场设备设计难以实现的要求和目标已经完全可以满足。
在目前技术条件下，对于没有严格的本安要求的非危险场合，对以太网系统可以采用隔爆防爆的措施，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会外泄，以保证系统运行的安全性。
对于有严格的本安要求的危险场合，则可以直接采用本安型的工业以太网设备等防爆措施。
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3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问题，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。
另外，最新推出的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。
Ethernet在工业应用过程中的各种问题已经得到根本性的解决。
工业以太网的优势
Ethernet由于其应用的广泛性和技术的先进性，不仅在民用商业领域形成了垄断性优势，在工业应用中也具有传统现场总线所无法比拟的优越性。
带宽高
随着现场设备功能逐级增强，工业网络中传输的数据量将会成倍增加，加之现在有了现场设备要内置WebServer以网页形式与外界沟通信息的需求，工业网络对带宽的要求越来越高。
而传统的现场总线一般的传输速率仅为1~2Mb/s尽管有些总线可以得到更高的通信速率，如Contro1Net的传输速率为5Mb/s，PROFIBUS-DP可高达12Mb/s，但成本价格昂贵。
作为一种低成本网络技术，Ethernet目前的速率为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10000Mb/s的快速以太网也已开始大量广泛应用，其通信速率比传统的现场总线快得多，完全可以满足工业网络不断增长的带宽要求。
应用广泛
Ethernet是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。
以工业以太网为主要研究对象的众多国际组织，如IEA（IndustrialEthernetAlliance）、IANOA（IndustrialAutoma-tionNetworkAlliance）等纷纷成立。
几个主要现场总线组织（如FF、PROFIBUS、DcviccNct、Con-trolNET和LonWorks等）也在开发基于Ethcr-net的现场总线协议，更有一些公司己在开发具有Ethernet接口的仪表。
几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，如果采用Ethernet作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境供选择。
以太网与其他技术的对比
以太网技术能成为全球主流的通讯总线技术，是因为其优秀的开放性和灵活性，以及针对高可靠性需求方面的持续发展创新造成的。
以太网技术与传统的SDH技术以及CAN、串口等其他的各种现场总线的特点对比如下。
表格1以太网与其他技术对比
序号
项目
SDH技术
以太网技术
其他总线技术
1
实时性
实时性较好
单级设备引入的延迟2us
由于传输速率只有几百Kbps，实时性差
2
传输带宽
64K，2M，622M，1.25G
需要多级复用
10M，100M，1G，10G甚至100G，无需复用
带宽很低，一般为几百Kbps
3
时钟同步性能
同步时分复用，同步精度较高
IEEE1588及同步以太网技术同步精度可达100ns甚至10ns以下
大部分不支持时钟同步；最好的IRIG-B传输，同步精度也在10ms左右
4
承载业务
语音业务为主
视频、语音、测量控制多种业务
测量、控制等小业务量
5
兼容性
兼容性一般
良好的兼容性
互不兼容
6
冗余性能
单向环，双向环，DXC保护，冗余性能50ms
多种冗余保护拓扑
冗余性能50ms
总线型或树型拓扑
无冗余特性
7
效率
时分复用，带宽利用率低
高效传输，网络带宽利用率高
固定带宽，对突发业务处理能力差
8
服务质量保证
无
Qos，优先级
无
9
组播功能
无
支持
无
10
VLAN功能
无
支持
无
11
工作方式
链路交换，效率较低
包交换，存储转发，效率高
总线式，查询，效率很低
12
网络管理
链路管理
全面管理
基本管理
13
互通性
与终端互联需要转接、交叉
直接互通
需要转接
14
维护成本
专业维护，成本高
维护成本低
维护成本较高
15
连接方式
光纤或同轴电缆
光纤或双绞线
以单端或差分线为主
16
路由功能
无
支持
无
17
广播风暴抑制
无
支持
无
18
业务分类及限制
无
支持
无
19
多业务标签
无
支持
无
20
流量限制
无
支持
无
综上，可看到，以太网在不断的发展中，在服务质量上已经超过了传统的SDH传输方式，并具有更多灵活、高速带宽、多业务承载、易于维护的更多优势及特点。
与传统的现场总线相比，其确定性及高效率、优秀的综合管理性能、多业务互通性能也为现场总线的发展带来了更多机遇，充分扩展了用户需求的实现。
应用案例
在工业及军工行业中，以太网技术以其高可靠性、高品质解决了诸多原有网络无法处理的问题，为工业通讯网络的建设和使用带来了更高的实时性及可靠性。
1.船用平台信息管理系统
图表1船用平台管理系统
平台网采用双环网冗余设计，设两台网络数据浏览服务器；两台域控制服务器，若干客户端机器。
两种服务器都是互为热备，配以网络管理软件，多功能操作站软件，形成高可靠性的船舶平台信息管理系统。
通过平台信息管理系统可以准确可靠地对动力系统、电站系统、损管系统、空调系统、航行信号、液位遥测等众多系统进行控制和监测。
2.智能电网----数字化变电站控制系统
智能电网的意义：
传统电网的不足与智能电网的意义：
传统电网只有单一向的电力传送，无法达到双向传送及自动修复能力；智能电网则可以通过通信技术和IT技术，将电网资讯集中至电力公司，使电力公司可以完全监测电网的所有元器件状态，除了能够控制所有电网元器件以外，智能电网还可以自动化修复，如果一段输电线路意外断线，它将自动使用备用线路等技术来保持整个电网的运作来防止断点的可能性。
再者，智能电网同时也能提供工业用户与家庭用户及时监控用电量的功能，用电消费者除了可以随时了解用电量，还可以决定花多少电，选择何时用电，和愿意付多少电费等等。
工业交换机在数字化变电站中起到的作用：
工业以太网交换机作为数字化变电站通信网络的关键设备，IEC61850-3对其提出了严酷的要求，使其能在各种恶劣工业环境下长期稳定、可靠、安全应用，为数字化变电站保驾护航。
数字化变电站通信网络必须满足实时性、可靠性、安全性和扩展性的特殊要求，光纤通信凭借其带宽宽、可靠性高、保密性强、抗干扰能力好及传输距离远等优点，成为数字化变电站中理想的通信方式。
数字化变电站自动化系统的特点：
（1）智能化的一次设备：
一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路，采用微处理器和光电技术设计，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程控制器代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
（2）网络化的二次设备：
变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。
（3）自动化的运行管理系统：
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化、自动化；变电站运行发生故障时，能及时提供故障分析报告，指出故障原因及处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改为“状态检修”。
数字化变电站对工业以太网交换机的要求：
在功能方面：
（1）要求工业以太网交换机支持快速存储转发方式和QoS服务质量，以保证网络中重要的GOOSE数据包得到实时传输；
（2）要求工业以太网交换机支持基于端口和TAG标签的VLAN，实现网段隔离，保证重要数据的实时、可靠传输并抑制网络广播风暴；
（3）要求支持冗余的网络拓扑结构如环网、星型网等，以提高网络的可靠性；
（4）要求支持RSTP快速生成树协议，提高网络故障时的收敛速度，避免网络环回和抑制网络广播风暴；
（5）要求支持IGMP组播技术，利用其限制网络中的数据，保证网络的实时性、可靠性等等。
在电磁兼容方面：
要求工业以太网交换机必须通过静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度等电磁干扰实验和电击、雷击等测试。
在环境温度方面：
要求工业以太网交换机必须满足（-40℃～85℃）宽范围的工作温度，交换机的存储温度也要求满足宽温条件等等。
在机械结构方面：
工业以太网交换机必须通过专门的强振动、大冲击的承受度测试；满足特定的防尘、防潮等要求；具备良好的散热条件等等。
通信网络是数字化变电站自动化系统的纽带，而网络拓扑结构直接关系到变电站的安全稳定运行。
工业以太网交换机支持多种网络拓扑结构如环型、星型、树型等。
采用光纤冗余环网和星型网相结合的方式，可以避免工业以太网交换机的多级级联和单环节点过多而引发的网络缺陷，有利于提高网络的可靠性、实时性和扩展性，有助于保障变电站的正常工作。
图表2数字化变电站控制系统
在图表2的数字化变电站控制系统中，存在大量的SV采集数据以及以Goose报文为代表的高实时要求的控制报文。
本系统采用双树形网络，并进行了间隔层、站控层网络划分，并启用了Qos服务质量控制，VLAN隔离，使得在正常状态下，采样SV报文可优先传递，当Goose报文出现时，则对Goose报文进行抢占式优先处理。
这样，既保证了正常传输中对业务带宽和延时的控制，又能达到在特殊情况下的高优先级要求报文的质量保证。
东土工业交换机在河南淇县数字化边站控制系统中的应用：
（1）项目介绍：
淇县智能变电站位于鹤壁市淇县西部，京广铁路西侧。
2009年6月开工，预计2010年12月底竣工投运。
建设规模为本期安装180兆伏安主变压器2台。
特点是该站采用电子式互感器，信息传输采用光纤以太网络；同时，该变电站按照全数字式变电站进行设计，220千伏和110千伏均采用户外敞开常规设备，220千伏、110千伏均采用双母线接线。
与传统变电站相比节约大量电缆，减少了占地。
由于本站二次系统基于IEC61850协议采用三网合一模式，过程层至间隔层全部采用光纤以太网通信，全站共需熔接光纤1152芯，集成度之高、光纤熔接量之大，国内罕见。
同时，本站作为河南省第一个220kV的全数字化变电站，采用了很多新技术新方法，这对设备的可靠性提出了更高要求。
（2）系统结构
变电站继电保护系统对变电站内的高压进线、智能开关、变压器、低压出线、母差、母联等主要设备进行检测和保护，变电站内各种保护装置之间的通信协议采用IEC61850规约，同时要求网络通信设备采用具备1588时钟的工业以太网交换机，支持GOOSE报文等实时转发，保证变电站的可靠性。
在变电站内实现网络的无缝连接。
（3）网络要求
支持1588时钟同步
GOOSE报文能优先传输
符合IEC61850-10、IEC61850-8-1、IEC61850-7-1、IEC61850-7-2规范要求
网络特性达到零丢包率
电磁环境特性能符合IEC61850-3规范要求
良好的温度特性和绝缘特性符合IEC61850-3规范要求
采用光纤接入的方式，提高网络的可靠性
系统采用双工业以太网的通信结构
GOOSE数据网络时延小于400微妙
（4）网络拓扑
3.工业以太网交换机在煤炭行业的应用
煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯重视煤矿安全生产问题，并采取一系列措施不断加强安全生产工作。
通过不懈努力，煤矿安全生产总体呈现稳定好转趋势，但是因为煤矿生产是地下作业，受自然条件影响约束很大，不同的地质构造和煤层的赋存条件决定了煤矿企业必须采取不同的开拓开采方法，并且带来了许多自然灾害，如瓦斯、煤尘爆炸、矿井火灾、顶板冒落、矿井透水等，这些都是煤炭生产特有的不安全隐患。
煤矿行业的信息化需求
煤炭生产系统复杂、工作场所黑暗狭窄，人员集中，采掘工作面又随时移动，由于地质条件的变化会使移动的采掘工作面不断出现新情况和问题，如不及时采取相应的有效措施，可能会导致重大灾害事故，这就给安全工作带来了困难。
如何加强目前煤矿企业、集团公司、安全部门对煤矿安全生产管理模式，如何实现管理的现代化、信息化成为煤矿企业关心的问题。
因此，建立能够全面掌握煤矿安全、生产信息，全面掌握矿区地面、井下环境信息、水文地理信息、煤层信息、巷道信息、机电设备信息及工作状态、井下人员分布及工作状态、每班产量等的信息系统极为重要，生产单位应该能做到灾害预防、事故救助、应急预案、安全培训等。
东土科技基于矿区信息化和智能化应用而推出了有线、无线相结合的工业以太网全覆盖解决方案。
工业以太网全覆盖，是通过有线、无线相结合的稳定可靠通信技术，对矿区的人（人员定位、无线通信）、设备（综合自动化）、环境（安全监控、矿压监控等）实现信息获取，并通过全面覆盖的高速网络（矿区地面、井下1000Mbit/s高速光网络、无线信号覆盖），使煤矿生产单位全面了解整个安全生产系统的各类情况。
工业以太网全覆盖面向的重点是所有与矿区安全、生产相关的网络接入。
因为矿区在建设过程中，采用的不同传感器其厂家不同，协议接口不统一，有些是早期建设项目，没有智能接口。
建立有线、无线相结合的工业以太网，是达到全覆盖的基础。
构建全覆盖的工业以太网不仅提高矿山的安全管理水平，更多的是涉及到生产，如利用信息技术、网络技术以及传感网络对矿区煤运皮带、煤仓、洗煤厂、水仓、变电站等各个生产相关设备系统的监管和控制，很大程度提升了矿区的自动化生产能力。
应用于煤矿矿区的综合信息化系统
煤矿矿区综合信息化系统是将先进的自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术结合，将企业的生产过程控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而提高企业核心竞争力。
综合自动化是煤矿实现高产高效的有效手段，对于提高煤矿的生产运行状况、安全水平、事故灾害预测预报以及生产业务管理具有重要的作用。
构建去全覆盖的工业以太网方案就是针对目前煤矿的实际需求，推出的高效、可靠、安全的自动化网络系统。
矿井综合自动化信息系统的主体是以矿用光纤工业以太环网技术构建的综合数字化信息传输平台。
在该系统中，各种接入采集设备由大量监测环境、机电、人员等传感器设备构成，如风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率传感器等环境因素、甲烷、CO、CO2、O2、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境传感器、跑偏、堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器、煤仓料位计、水位计等传感器等机电因素，以及摄像机、人员定位等，这些传感器在矿区地面、井下构建了一个庞大的数据采集设备接入层。
网络层设备主要由铺设在地面、井下的千兆光环网及工业级以太网交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等，以及用无线工业以太网交换机组成的WiFi网络等构成，这些网络构建了覆盖整个矿区的数据网络。
应用层是矿区综合信息化系统，包含了矿区3DGIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等等。
该应用层硬件提供了各种通用的数据接口，在此之上，生产单位可以方便地将提升机监控系统、安全监控系统、矿井通信系统、应急救援通信系统、视频监控系统、井下调度无线通信系统、大巷运输系统、选煤厂计算机控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、中央泵房监控系统、工业电视系统等系统进行无缝链接，最后经过工业以太网平台统一传输到应用层上进行统一的管理，如图表3所示，真正实现矿井“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节上的信息化和自动化，从而达到优化生产、优化管理。
图表3
煤矿区信息系统建设特点
该系统依托矿井工业以太环网的高速控制网络，通过推进煤矿矿井生产过程控制，促进企业综合信息化，可实现数据采集自动化、业务信息集成化、信息管理网络化，最终实现煤矿管理决策科学化、现代化和智能化。
系统建设特点如下。
● 各生产过程全面实现自动化，并在信息中心分别对各生产环节进行监控，达到高产高效的目的。
● 遵循先进、可靠、实用原则，尽量减少投资，节约成本。
● 加强自动化系统、信息管理系统在煤炭行业的通用性。
● 实现生产控制的实时数据库和信息管理的关系数据库的接口，能够实现信息
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