工业以太网及其嵌入式应用研究(二)

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3 以太网

以太网是在1972年由Xerox Palo Alto研究中心Bob Metcalf和David Boggs发明的。70年代末，数十种局域网技术已经涌现出来，由于以太网具备可扩展性、可靠性、成本低廉以及拥有大量的网络管理和故障排除工具而受热烈欢迎，最终脱颖而出，并成为目前使用最广泛的局域网技术，与现场总线相比具有广泛的优越性。
以太网发明以来，首先在局域网(LAN)中得到了广泛的应用，并从此以后成为了事实上的办公自动化网络标准。其典型应用的网络结构如图2所示:

图2 以太网在局域网中的结构

从图2中可以看出，以太网在局域网中大量应用总线型结构，采用共享式以太网，并且也没有考虑与其它总线的数据交换。这种结构在办公网络中不会出现什么问题，而如果应用到实时性、可靠性要求高得多的工业现场领域，会导致重大的现场事故。
所以以太网要应用到现场领域，必须解决带宽、可靠性、数据交换等问题，必须克服现场恶劣环境带来的负面影响，解决好技术支持等问题，也只有解决了这些问题，论文开发的基于工业以太网的控制器才有其实际应用价值。

4 工业以太网

工业以太网是在以太网的基础上改进,具体包括在实时性、可靠性、数据的交互性等关键技术上进行研究。首先来看一下工业以太网作为控制网络的优点。

4.1 工业以太网的优点

Internet/Intranet网络已被工厂自动化高层采用，如果在低层也采用以太网，不同的工厂通讯系统更容易地建立连接[3-8]。因为采用相同的协议，可以建立更大范围的网络，导致更大地利用低成本组件和技术。

工业以太网作为现场总线控制系统具有以下的优点[6]:
(1) 容易和办公自动化(OA)网络无缝集成，符合企业的信息化要求;
(2) 有相当高的数据传输速率(目前已达到1000Mbps)，能提供足够的带宽;
(3) 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架;
(4) 在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术;
(5) 沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准;
(6) 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。
尽管相比现场总线有这么优势，但以太网本身作为一种办公网络，如果直接应用到工业现场还是存在很多问题。如实时性、带宽、可靠性等，这些问题随着以太网的发展有着不同程度的解决。

4.2 工业以太网的研究现状

国际上，随着以太网技术的深入研究，先后产生高速Ethernet和千兆Ethernet产品和国际标准，以及即将出现的十千兆Ethernet产品和国际标准[2]。针对Ethernet的排队延迟不确定性，Ethernet又增加了双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性[4,5]。以德国Hirchmann公司为代表提出了冗余环技术，增强了以太网的可靠性[6]。为了推广以太网技术在工业领域的应用，在美国成立了工业自动化通信网络联盟(Industrial Automation Network Alliance，IANOA)，其主要目的在于建立Ethernet为工业控制中的通讯标准。

在1999年3月19日发布的调查报告中预测，在工业控制应用领域，以太网的世界市场份额将由1998年的8.4%跃升为2003年的22%，是各种总线中升幅最大的[6]。现在所有国际自动化厂商的控制器皆能提供以太网 TCP/IP接口。
美国最大的测控仪器厂商National Instrument和OPTO 22，最近也推出了以太网I/O产品[7]。
国际半导体协会SEMI所制定的半导体设备标准通信协议(SEMI Equipment Communication Standard,，SECS)也从RS-232实体层改为建立在Ethernet TCP/IP之上，称之为HSMS (High Speed Message Specification)[8]。

美国一家专业自动化公司SISCO也将MAP应用层通信协议MMS(Manufacturing Message Specification)改建立在以太网 TCP/IP之上[12]。

美国工业自动化开放网络联盟(Industrial Automation Open Networking Alliance，IAONA)最近与ODVA和IDA集团就共同推进以太网和TCP/IP达成共识。
DeviceNet供货商协会(ODVA)于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。

现场总线基金会(Fieldbus Foundation)于2000年3月29日公布了高速以太网的最终技术规范[12]。
德国的Hirschmann公司已开发出一系列加固的、适合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器件，如导轨式收发器、集线器、切换器、连接件等[6]。
Woodhead Connectivity公司推出保护等级为IP67的RJ-45连接器件。

由以上分析可知，以太网进入工业控制领域是一个不可逆转的趋势。

国内在这个领域起步较晚，技术水平和经济能力还有很大差距[9]。目前，国内的一些企业也开始研究并推出工业以太网的产品，如浙大中自集成控制股份有限公司推出的MicroDCS，兼有传统DCS的可靠性、稳定性以及FCS系统的开放性和友好性，硬件配置AI/O-DI/O，128点、256点;可用以实现大多数工业应用的组合装置，并通过工业以太网技术，实现无缝连接企业信息网。但是还没有哪家企业形成系列化、规模化的工业以太网产品，特别是尚没有一套基于嵌入式uCLinux的工业以太网解决方案。