朱錦榮

摘要：本文簡單介紹了以太網(wǎng)技術的發(fā)展；對以太網(wǎng)用于工業(yè)領域需解決的問題進行論述，并提出相應解決方法；進而通實例介紹了工業(yè)以太網(wǎng)在西江引水工程的應用。

關鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；特點；西江引水工程

1.以太網(wǎng)介紹

以太網(wǎng)是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox,Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)絡使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測技術)技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標準相類似。

上世紀90年代，以太網(wǎng)得到了高速的發(fā)展，并吸納后推出了傳輸速率為100Mb/s快速以太網(wǎng)、1 Gb/s以太網(wǎng)和10 Gb/s速率以太網(wǎng)等高速以太網(wǎng)技術。以太網(wǎng)幀格式特別適合于傳輸IP數(shù)據(jù)包。隨著Internet的快速發(fā)展，以太網(wǎng)被廣泛使用。

2、以太網(wǎng)用于工業(yè)域存在的問題

以太網(wǎng)技術具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡之一。但由于以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標而設計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標準的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工控領域還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

（1）存在實時性差，不確定性的問題

傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）,并且采用1堅持二進制質(zhì)數(shù)后退算法（BEB）處理沖突。具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網(wǎng)絡節(jié)點要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權。通信時節(jié)點監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性。

（2） 工業(yè)可靠性問題

由于以太網(wǎng)在設計之初是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應性需要。在面對相對惡劣的工作環(huán)境，必然會引起其可靠性降低。由于工業(yè)環(huán)境對EMI(工業(yè)抗干擾)和ESD(工業(yè)抗震)的不同需求，對EMC（電磁兼容性）也提出更高的要求。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡必須具備較好的可靠性，可恢復性，以及可維護性。即保證一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時，不會導致應用程序、操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

（3） 安全性問題

以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅。沒有授權的用戶可能進入網(wǎng)絡的控制層或管理層，造成安全漏洞。

3．以太網(wǎng)工業(yè)應用的解決辦法

針對以上以太網(wǎng)工業(yè)用的缺陷和工業(yè)領域?qū)I(yè)網(wǎng)絡的特殊要求，除了選用能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠工作的工業(yè)級以太網(wǎng)設備外，目前已采用多種方法來改善網(wǎng)的性能和品質(zhì)，已滿足工業(yè)領域的要求

（1）采用交換技術以避免數(shù)據(jù)沖突

通過交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設備的目標端之間提供了一個直接快速的點到點連接。不同端口可以形成多個數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。多個交換把整個以太網(wǎng)分解成許多獨立的區(qū)域，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡性能和確定性。

（2） 采用高速以太網(wǎng)以降低沖突概率

隨著網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)（100M）和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國際標準，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過提高通信速度，可以有效降低網(wǎng)絡的負荷率，從而降低沖突概率。結(jié)合交換技術，再對網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工控網(wǎng)絡。

（3） 采用虛擬局域網(wǎng)技術

虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的許多固有觀念，使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機的每一個端口只能標記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產(chǎn)生。

3、工業(yè)以太網(wǎng)在西江引水工程中的實例。

西江引水工程作為廣州市原水系統(tǒng)的重要組成部分，設置相對集中的運行子調(diào)度控制中心，接受廣州市供水調(diào)度中心的宏觀調(diào)度命令，并全面負責整個西江引水工程范圍內(nèi)從取水、輸水、配水到受水廠的全過程輸配水生產(chǎn)調(diào)度及安全生產(chǎn)各措施，以滿足廣州市西北部地區(qū)凈水廠的原水供應需求。 在鴉崗配水泵站設立子調(diào)度中心，綜合實施安全生產(chǎn)全過程控制。 在取水泵站、鴉崗配水泵站分別設置泵站監(jiān)控中心，貫徹子調(diào)度中心下達的有關指令，上報所屬設備的運行情況并對其實施控制調(diào)整操作；

以鴉崗配水泵站為例，在進行系統(tǒng)設計時主要以體現(xiàn)可靠性（安全性）、開放性（可擴展性）、經(jīng)濟性（實用性）以及互聯(lián)性為原則。整個控制系統(tǒng)由一個公用主站和十二個現(xiàn)場控制站組成。

監(jiān)控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)選用1Gb/s 光纖以太環(huán)網(wǎng)，泵站內(nèi)監(jiān)控以及現(xiàn)場控制PLC均通過工業(yè)級網(wǎng)絡交換機掛接在以太網(wǎng)上，PLC通過現(xiàn)場總線和高低壓柜以及現(xiàn)場自控儀表進行數(shù)據(jù)通信。

十二個現(xiàn)場控制站（每臺水泵一個）設置在泵房內(nèi)。每個現(xiàn)場控制站均設置一套具有邏輯控制功能、故障自診斷和自動切換功能的PLC(選用AB公司的COMPACTLOGIX 系列PLC)、操作員終端以及輔助設備能按要求或提供的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，提供所屬設備運行的聯(lián)動、聯(lián)鎖和控制，提供設備的閉環(huán)運行控制，運行（遠控/就地/一步化）模式的切換。同時通過1Gb/s 光纖以太環(huán)網(wǎng)的數(shù)字通信將相關的診斷維護信息送往中央監(jiān)控主站，并接受上位機的數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)和控制的依據(jù)。

公用主站可調(diào)用現(xiàn)場控制站的全部運行信息，并通過一定權限設定控制現(xiàn)場主要設備的啟停，實現(xiàn)整個泵站的調(diào)度管理。

4、小結(jié)

工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本，高實效，高擴展性及高智能的魅力，在各個行業(yè)中得到月越來越多的運用。隨著國際工業(yè)以太網(wǎng)標準的推出，以太網(wǎng)技術和通信技術的不斷發(fā)展，推動著工業(yè)以太網(wǎng)技術的進一步發(fā)展。由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽，即它可以一直延伸到設備控制層，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展將會取代現(xiàn)有的繼續(xù)現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡，成為水行業(yè)工程網(wǎng)絡中的主流技術之一?！?/p>

參考文獻

[1]徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡[J].信息與控制,2000年4月,第29卷,第2期

[2]賈東耀,汪仁煌.工業(yè)控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2002年,第5期