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工控自动化以太网有着怎样的技术特性

2019年04月15日 16:58:14 供稿:电子说 作者:电子设计

传感器技能、通讯技能和计算机技能是现代信息技能的三大根底。跟着IT技能的飞速开展和工业自动化要求的不断进步,工业操控网络所背负的作业越来越重。与数据信息网络不同,工业操控范畴需求一种高速廉价、实时性和敞开性好、稳定性和精确性高的网络。以太网(Ethernet)技能支撑简直一切的网络协议,所以在数据信息网络中得到广泛应用,具有传输速度高、低能耗、便于安装、兼容性好、敞开性高和支撑设备多等方面的优势。近些年来,跟着网络技能的开展和工业操控范畴对网络功能要求越来越高,以太网正逐渐进入工业操控范畴,形成了新式的以太网操控网络技能。工业以太网的敞开性使得工业操控网络和企业信息网络的无缝整合方面具有无与伦比的优势。

1、工业操控网络的开展

工业操控网络的开展是伴跟着操控体系的革新而开展起来的。操控体系阅历了基地式气动外表操控体系、电动单元组合式模仿外表操控体系、会集式数字操控体系、集散操控体系、现场总线操控体系和近几年盛行起来的工业以太网操控体系等六个阶段。关于基地式气动外表操控体系和电动单元组合式模仿外表操控体系只是驱动方法的改动,两类操控体系只能对单一回路进行操控,而各个回路之间不能够交流信息,每一个回路是一个独立的信息孤岛,并不归于网络的范畴。

跟着计算机技能的开展,计算机被引入操控体系,它不仅能够完结对数据的处理操作,更主要的是能够直接根据输入的给定值、进程变量和进程中其他的测定值,通过PID或其它高级操控算法,得出它的操作变量即输出值送给执行机构完结操控功用。这便是咱们所说的计算机会集操控体系(Ccs)的操控思维。会集操控体系因为其结构简单,直接面向操控对象,尚未形成网络体系。虽然将计算机引人操控体系使得一些高级操控算法得以完结,但是,跟着出产进程的杂乱化,软件方面需求很大的开支,而且杂乱的软件结构使体系的晋级才能较弱;计算机作业是需求会集操控几十个,乃至上百个回路,这就使得体系的实时性、可靠性得不到确保。

真实含义的工业操控网络体系是七十年代呈现的第二代计算机操控体系:涣散型操控体系DCS(也称集散操控体系)。它是跟着网络技能的开展而开展起来的,DCS的特色是”会集办理,涣散操控”,这些体系完整地体现了涣散化和分层化的思维。现在所运用的DCS有环形、总线形和分级式几种。

但是,集散操控体系也有其显着的缺陷:

首先,结构是多级主从关系,现场设备之间相互通讯有必要经过主机,使得主机负荷重、功率低,且主机一旦发作毛病,整个体系就会溃散;

其次,它还运用大量的模仿信号,许多现场外表依然运用传统的4—20mA电流模仿信号,传输可靠性差,不易于数字化处理;

第三,各体系规划厂家的DCS拟定独立的规范,通讯协议不敞开,极大的限制了体系的集成与应用,不利于现代跨国公司的进一步开展。

为了战胜DES体系的技能瓶颈,进一步满意工业现场的需求,现场总线技能应运而生,它将体系的操控功用进一步下放,现场总线网络实践上是一种全数字化、全涣散、可互操作、敞开式的互联网络。它专门用于进程自动化和制作自动化最底层的现场设备或现场外表互联,是现场通讯网络和操控体系的集成,现场总线的呈现对完结面向设备自动化体系起到了巨大的推动效果。

但是FE也有许多瓶颈问题:

首先,现有的现场总线规范品种过多,且各有自己的优势和适用范围,用户如何取舍是比较棘手的问题;

其次,操控体系中如果有多种现场总线一起存在,因为总线通讯协议的多样性。这样会形成工业操控体系与数据信息网络完结无缝集成,真实完结企业级管控一体化,体系功用组态等变得相对杂乱;

别的在实质安全、体系可靠性、数据传输速度等方面存在一些技能瓶颈或不契合现代企业对信息的要求。事实上,各种操控体系存在缺陷的问题最根本原因在于操控体系的敞开性差或者敞开性是有条件的,不彻底的。为了解决该问题而呈现了以TCP/I协议为根底的工业以太网技能。

下面临工业以太网技能进行具体介绍。

2、工业以太网技能的特色

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,因为它支撑简直一切盛行的网络协议,所以在商业体系中被广泛选用。近些年来,跟着网络技能的开展。以太网进入了操控范畴,形成了新式的以太网操控网络技能。这主要是因为工业自动化体系向散布化、智能化操控方面开展,敞开的、透明的通讯协议是必然的要求。

2.1工业以太网的技能优势

(1)Ethernet是全敞开、全数字化的网络,遵照网络协议不同厂商的设备能够很容易完结互联;

(2)以太网能完结工业操控网络与企业信息网络的无缝连接,形成企业级管控一体化的全敞开网络,如图2所示;

(3)软硬件成本低价,因为以太网技能现已非常老练,支撑以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支撑,有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择;

(4)通讯速率高,跟着企业信息体系规模的扩大和杂乱程度的进步,对信息量的需求也越来越大,有时乃至需求音频、视频数据的传输,现在以太网的通讯速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用,千兆以太网技能也逐渐老练,10G以太网也正在研讨,其速率比现在的现场总线快许多。

(5)可持续开展潜力大,在这信息瞬息万变的年代。企业的生计与开展将很大程度上依赖于一个快速而有用的通讯办理网络,信息技能与通讯技能的开展将愈加迅速,也愈加老练,由此确保了以太网技能不断地持续向前开展。

2.2工业以太网存在的一些问题

2.2.1实时性问题

在工业操控体系中,实时可界说为体系对某事情的反应时刻的可测性。也便是说,在一个事情发作后。体系有必要在一个能够精确预见的时刻范围内做出反映。但是,工业上对数据的传递的实时性要求十分严格,往往数据的更新是在数十毫秒内完结的。而同样因为以太网选用CSMA/CD介质访问操控方法,其实质上是非实时的,一条总线上挂多个接点平等竞争总线,当发作抵触的时分,就得重发数据,最多能够尝试16次之多。很显着这种解决抵触的机制是以付出时刻为代价的。而且一旦呈现掉线,那怕是只是几秒种的时刻,就有或许形成整个出产的停止乃至是设备。人身安全事故。这种方法很难满意工业操控范畴对实时性的要求;这也是以太网技能进入工控范畴的技能瓶颈o3.2.2适应性与可靠性:

以太网在规划之初是按作业环境规划的。并不是从工业网出发的。当它应用到工业现场,面临恶劣的工况,严峻的线间干扰等,这些都必然会引起其可靠性降低。而在实践工业出产环境中网络有必要具有较好的可靠性、可恢复性、以及可维护性。即确保一个网络体系中任何组件发作毛病时,不会导致应用程序,操作体系。乃至网络体系的溃散和瘫痪。

2.2.3工业自动化操控的应用层协议

现在信息网络中界说的应用层协议所界说的数据结构等特性不适合应用于工业进程操控范畴现场设备之间的实时通讯。因此,还需界说一致的应用层规范。

2.2.4实质安全和网络安全

工业以太网如果用在易燃易爆的风险作业场所,有必要考虑实质安全问题。别的,工业以太网因为运用了TCP/IP协议,因此或许会受到包括病毒、黑客的不合法入侵与不合法操作等网络安全威胁。

2.3以太网工业应用的解决机制

跟着网络技能的不断开展,以上呈现的问题现已彻底或部分得到解决。

2.3.1交流式以太网技能

为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题,选用全双工通讯,能够彻底避免ESMA/CD中的磕碰,而且能够方便地完结优先级机制,确保网络带宽的最大利用率和最好的实时功能,它彻底避免了CSMA/CD、主从、令牌等或许的低功率。

2.3.2高速抗扰以太网

咱们知道当网络中的负载越大的时分,发作抵触的概率也就越大。有资料显示当一个网络的负荷低于36%时,基本上不会发作抵触。在负荷为1O%以下时,10M以太网抵触机率为每五年一次。

100M以太网抵触机率为每15年一次。但超过36%后跟着负荷的添加发作抵触的概率是以几何级数的速度添加的。明显进步以太网的通讯速度,就能够有用降低网络的负荷。幸运的是现在以太网现已呈现通讯速率达100M/s。1G/s的高速以太网。再加上详尽全面的规划及对体系中的网络结点的数量和通讯流量进行操控,和工业环境网络设备出产厂商采取了专门的抗干扰办法,使其愈加契合工业需求,彻底能够选用以太网作为工业网络。

2.3.3应用层协议方面

用户能够根据需求对TCP/IP协议栈进行增减,别的还需求拟定愈加契合工业要求的网络协议。

2.3.4实质安全和网络安全

设备出产商供给适应工业环境的器件,运用密封性好,巩固、抗轰动的以太网设备与连接件用来解决实质安全问题;选用用户暗码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全办理,但针对工业自动化操控网络安全问题的解决方案还需求仔细研讨。

结论

综上所述。工业以太网操控体系与其它操控体系相比较具有很大的优势,能够应用在多种工业操控范畴。跟着集成电路、工业以太网和嵌人式Internet技能研讨的进一步深入,根据以太网的工业操控网络年代将会很快到来,并成为最具敞开性的工业操控网络体系结构。这种新式的网络体系,与现场总线在以太网方面的开展相呼应,对传统的工业操控网络是一个革新,必将为工业操控范畴带来新的天地。但是,在某些范畴例如:轿车操控体系、数控机床等,因为其作业条件恶劣、实时性、可靠性要求高,均不适合工业以太网。从现在趋势来看,工业以太网进入现场操控级毋庸置疑。但至少现在看来,它还难以彻底取代现场总线,作为实时操控通讯的单一规范,在很长的一段时期内已有的现场总线仍将持续存在,最有或许的状况是开展一种多种网络并存的混合式操控体系。


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