《电子技术应用》

以太网与工业以太网的区别

2016/10/25 5:00:00

  晚参加佛山市政府招待参加第二届中国(广东)国际互联网+博览会嘉宾的晚宴上,有幸结识华为广东省总经理,并了解到华为提供工业通讯的解决方案,这次博览会上会展示产品。

  在华为的展台前,咨询华为技术人员,希望了解:

  1、华为为工业提供的通讯的设备范围:是所有的工业设备?还是部分工业设备?

  2、对应于这些设备,华为的底层通讯都支持哪些协议?

  按照我的理解:工业设备会根据数据传输的响应速度、传输速率、安全可靠等几个方面的性能要求,分级提供数据通讯方案。

  传统自动化行业的工业总线或者工业以太网连接的对响应速度、安全可靠性要求高的通讯解决方案(比如炼油厂的自动化设备的通讯方案);传统工业没有通讯,但在未来智能制造领域会连接的设备(比如采油、物流环节,以前有线连接成本高,可借助无线技术联网)。

  我原来以为,华为的通讯解决方案是针对后一种的设备连接。但华为技术人员说华为的解决方案是解决所有的设备的通讯方案,那么问题就来了:

  1、无线通讯的响应速度和可靠性是不如以太网的(华为技术人员也认可此观点)。

  2、以太网是不适合对响应速度和可靠性要求非常高的设备的(不确定技术发展到现在,这个观点是否还正确,但在前几年一定是正确的。当以太网发展到一定程度后,这个可能会成缺)。所以才有了工业以太网。

  3、然后我就问华为技术人员,华为的通讯支持哪些工业以太网的协议时,然后他们居然不知道有工业以太网,两个技术人员都不知道工业以太网。

  所以我想普及一下工业以太网的概念!

  一网到底

  开始了解工业以太网,是因为在为西门子撰写案例的时候,有一个是普光气田集输系统的一网到底的案例,主要介绍了在地域环境特殊的普光气田的自动化、信息化的通讯方案中,采用了有线与无线相结合,适用于商业应用的以太网,和适用于工业的工业以太网相融合的骨干网络。实现了一网到底(工业、商业公用一个网络)。

  研究一网到底的概念时,发现最早(我能找到的资料中)的提出一网到底概念的是2010年SixNet在推动工业以太网的时候,提出来的一网到底,实现自动化和信息化的无缝集成。

  在工业以太网出现之前,自动化的通讯方式最主要的是利用总线做通讯。但是因为总线需要布线,而随着互联网的普及,以太网的网络也越来越普及。利用网络实现自动化通讯是一种趋势,所以很多厂家推出了工业以太网。借助于工业以太网实现自动化与信息化的融合,从而实现一网到底。

  工业以太网与以太网的区别

  以太网主要用在商业环境,而工业以太网主要用在自动化设备上。自动化设备在实时性、确定性、可靠性上远远高于商业环境。商业环境对信息的传输,延时一秒是可以接受的,而某些工业设备对实时性要求是时延不超过几十毫秒,对网络要求不同。

  以太网的通讯机制

  以太网是指遵循IEEE802.3标准,可以在光缆和双绞线上传输的网络,采用星型和总线型结构,传输速率为10Mb/s,100 Mb/s,1000 Mb/s或更高。

  以太网产生延迟的主要原因是冲突,其原因是它利用了CSMA/CD技术。在传统的共享网络中,由于以太网中所以的站点,采用相同的物理介质相连,这就意味着2台设备同时发出信号时,就会出现信号见的互相冲突。为了解决这个问题,以太网规定,在一个站点访问介质前,必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用该介质。如果有则必须等待,此时就发生了冲突。为了减少冲突发生的几率,以太网常采用1-持续CSMA,非持续CSMA,P-持续CSMA的算法2。

  由于以太网是以办公自动化为目标设计的,并不完全符合工业环境和标准的要求,将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。但其成本比工业网络低,技术透明度高,特别是它遵循IEEE802.3协议为各现场总线厂商大开了方便之门。

  以太网的缺陷

  1、确定性

  由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD,该协议是的网络上存在冲突。对于一个工业网络,如果存在着大量的冲突,就必须多次重发数据,使得网络间通信的不确定性大大增加,带来系统控制性能的降低。

  2、实时性

  在工业控制系统中,在一个事件发生之后,系统必须在一个可以准确预见的时间范围内作出反应。而工业上对数据传输的实时性要求非常高,数据的更新是在数十毫秒完成。而以太网的CSMA/CD机制,当发生冲突时重发数据,可以尝试16次,这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。

  而设备的掉线,可能会造成重大的设备或者人身安全事故。

  3、可靠性

  以太网是为商业设计的,但应用到工业现场,面对恶劣的工况、严重的线间干扰,必然降低其可靠性。所以工业网络要求具有高的可靠性,可恢复性以及可维护性。

  工业以太网的解决机制

  1、交换技术

  将共享的局域网进行有效的冲突域划分机制。各个领域之间用交换机连接,减少冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生,提高系统的确定性。

  2、高速以太网

  冲突的发生与负载有关,负载越大,发生冲突的概率越大。提高以太网的通讯速度,可以有想降低网络的负荷。

  3、IEEE1588对时机制

  IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中,与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议(PTP)。此协议并不是排外的,但是特别适合于基于以太网的技术,精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时,它所达到的精度仍可满足要求。这使得它尤其适用于基于以太网的系统。通过采用这种技术,以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。在区域总线中它所达到的精度远远超过了现有各种系统。此外,在企业的各层次中使用基于以太网TCP/IP协议的网络技术有着巨大的优势。

  一个包括IEEE1588对时机制的简单系统至少包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多个潜在的主时钟,那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。所有的时钟不断地与主时钟比较时钟属性,如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网络断开,则其他时钟会重新决定主时钟。如果多个PTP子系统需要互联,则必须由边界时钟来实现。边界时钟的某个端口会作为从属端口与子系统相联,并且为整个系统提供时钟标准。因此这个子系统的主时钟是整个系统的原主时钟。边界时钟的其他端口会作为主端口,通过边界时钟的这些端口将同步信息传送到子系统。边界时钟的端口对子系统来说是普通时钟。

  IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步,使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信,从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作,使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的,不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准非常具有代表性,并且是开放式的。由于它的开放性,现在已经有许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准,这样他们的产品之间也可以保证很好的同步性。

  工业以太网典型协议

  典型的工业以太网包括4种协议:HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

  HSE

  基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范,称HSE(High Speed Ethernet)。HSE是以太网协议IEEE802.3,TCP/IP协议族与FFIll的结合体。FF现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网 络与Internet的集成。

  Modbus TCP/IP

  该协议由施耐德公司推出,以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中,使Modbus与以太网和TCP/IP结合,成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式,每一个呼叫都要求一个应答,这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合,使交换式以太网具有很高的 确定性,利用TCP/IP协议,通过网页的形式可以使用户界面更加友好。

  ProflNet

  针对工业应用需求,德国西门子于2001年发布了该协议,它是将原有的Profibus与互联网技术结合,形成了ProfiNet的网络方案。

  ProfiNet采用标准TCP/IP十以太网作为连接介质,采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。

  Ethernet/IP

  Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它是由ODVA(Open Devicenet Vendors Asso-cation)和Control Net International两大工业组织推出的最新成员与Device Net和Control Net一样,它们都是基于CIP(Controland Information Proto-Col)协议的网络。它是一种是面向对象的协议,能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式信息(包括用于组态、参数设置、诊断等) 的有效传输。

  未来提供工业骨干网的解决方案,对于传统的自动化设备的高端仪器,其通讯的性能要求是可以达到工业以太网的级别的。

  就如文中所述,随着网络速率的提升,未来可能以太网与工业以太网的差异不大。但至少现在还有差异,无论如何,要实现全部设备的骨干网,需要:

  1、支持现有的工业以太网的协议;

  2、提升网络的性能,解决现有以太网的问题中,工业以太网已经解决的问题;

  3、未来是否可能实现无线网络的性能达到工业以太网的性能?

  实现了前面两条,我认为工业骨干网才可能被工业企业接受。


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