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工业以太网设计的四个基本原则

2024-02-21

工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛、配套技术成熟等优点,已成为最流行的通信网络之一。

近年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了一种新型的以太网控制网络技术。 这主要是由于工业自动化系统向分布式和智能控制方向发展,开放透明的通信协议是必然要求。

以太网技术被引入工业控制领域,其技术优势十分明显。

工业以太网制造信息化的强大和控制的快捷性,可以实现快速串联和控制,为现代工业制造实现真正的“E网到底”奠定了良好的基础。

工业以太网一直被业界认为是未来控制网络的最佳解决方案,也是目前现场总线中的主流技术。 一个新的工业化龙头由此诞生。

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工业以太网设计标准或依据的评价应分为以下四点:

(1) 通信确定性和实时性

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点是必须满足控制功能的实时性要求,即信号传输必须足够快,满足信号的确定性。 实时控制往往需要在准确的时间刷新某些变量的数据。 由于以太网采用CSMA/CD方式,当网络负载较重时,网络传输的不确定性无法满足工业控制的实时性要求,因此传统的以太网技术难以满足精确定时通信的实时性要求控制系统所需要的,并且一直被视为“非确定性”网络。

工业以太网采取了以下措施来基本解决这个问题:

使用快速以太网扩大网络带宽

以太网的通信速率已从 10.100Mb/s 提高到今天的 1.10Gb/s。 在相同数据吞吐量的情况下,通信速率的提高意味着网络负载和网络传输时延的降低,即网络冲突的概率大大降低,从而提高其实时性。

全双工交换以太网

用交换技术代替原来的总线式CSMA/CD技术,避免了多个站点共享和竞争信道造成的冲突,减少了信道带宽的浪费,同时实现了全双工通信,提高了信道利用率。

减少网络负载

工业控制网络不同于商业控制网络。 每个节点传输的实时数据量很小,通常是几个比特或字节,很少发生大量突发数据传输。 分段站点的数量减少了网络流量,进一步提高了网络传输的实时性。

应用数据包优先级技术

在智能交换机或集线器中,通过设计报文的优先级来提高传输的实时性。

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(2) 安全

在工业生产过程中,许多场所不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体。 对于这些工业场所使用的智能设备和通讯设备,必须采取一定的防爆技术措施,以保证工业场所的安全生产。 .

在目前的技术条件下,对以太网系统采取防爆防爆措施是比较可行的,即通过对以太网现场设备采取增安、密闭、灌封等防爆措施,现场设备自身故障引起的点火 能量不外泄,确保系统运行安全。 对于没有严格本质安全要求的非危险场合,可以不考虑复杂的防爆措施。

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问题。 工业以太网可以整合企业传统的三层网络体系,即信息管理层、过程监控层、现场设备层,使数据传输速率更快、实时性更高、它可以与互联网无缝集成。 实现数据共享,提高工厂运营效率。

但同时也引入了一系列的网络安全问题。 工业网络可能受到病毒感染、黑客非法入侵和非法操作等网络安全威胁。

一般来说,可以通过网关或防火墙将工业网络与外部网络隔离开来,也可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制来加强网络安全管理。

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(3) 稳定可靠

传统以太网不是为工业应用设计的,没有考虑工业现场环境的适应性。 由于工业现场机械、气候、粉尘等恶劣条件,对设备的工业可靠性提出了更高的要求。 在工厂环境中,工业网络必须具有良好的可靠性、可恢复性和可维护性。

为解决不间断工业应用领域网络在极端条件下稳定工作的问题,专门研发生产导轨式集线器和交换机,安装在标准DIN导轨上,具有冗余电源和连接器。 采用坚固的DB-9结构。

此外,在实际应用中,骨干网可采用光纤传输,现场设备连接可采用屏蔽双绞线,重要网段也可采用冗余网络技术,以提高网络的抗干扰能力和可靠性。

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(4)母线供电问题

总线供电(或称总线馈电)是指连接现场设备的电缆,不仅传输数据信号,还为现场设备提供工作电源。 现场设备供电可采用以下方式:

在现行以太网标准的基础上,适当修改物理层的技术规范,将以太网的曼彻斯特信号调制为直流或低频交流供电,两种信号在现场设备分离边。

物理层的现有结构没有改变,只是通过连接电缆中的闲置导线为现场设备供电。