通过分析以太网的网络通信机制,指出了以太网接入工业通信网络存在的问题及解决办法。其次,详细介绍了工业以太网(simatic net)在工业通信网络中的应用。
 
现场总线的出现对促进面向设备的自动化系统的实现起到了很大的作用。然而,现场总线等特殊的实时通信网络存在着成本高、速度慢、支持应用有限等缺点。此外,总线通信协议的多样性使得不同的总线产品不可能相互互连和互操作。因此,现场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制。随着以太网技术的发展,特别是高速以太网的出现,以太网可以克服自身的缺点,进入工业领域成为工业以太网,使人们可以用以太网设备来代替昂贵的工业网络设备。
 
1。以太网的主要缺点
 
在讨论以太网的主要缺点之前,有必要了解以太网的通信机制。以太网是指根据IEEE802.3标准,可以通过光缆和双绞线传输的网络。它最早出现于1972年,由施乐公司(Xerox Parc)创建。目前以太网采用星型和总线结构,传输速率为10MB/s、100MB/s、1000MB/s及以上。以太网延迟的主要原因是冲突,这是由于CSMA/CD技术的使用造成的。在传统的共享网络中,由于以太网中的所有站点都是通过相同的物理介质连接的,这意味着当两个设备同时发送信号时,就会产生冲突的信号。为了解决这个问题,以太网规定在站点访问介质之前,必须首先监视网络上的其他站点是否同时使用介质。如果有,它必须等待,然后就会有冲突。为了降低冲突概率,以太网通常采用1-持久CSMA、非持久CSMA、P-持久CSMA算法2。由于以太网是为办公自动化而设计的,不能完全满足工业环境和标准的要求,传统的以太网在工业领域的应用存在明显的缺陷。但其成本较工业网络低,技术透明度较高。特别是,它为现场总线制造商遵循IEEE802.3协议打开了大门。但是,为了使以太网满足技术要求,必须克服以下缺点:
 
1.1确定性
 
由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD,在网络上会产生冲突,特别是当网络负载过大时。对于一个工业网络来说,如果存在大量的冲突,就需要多次重新传输数据,这大大增加了网络间通信的不确定性。工业控制网络中的不确定性必然导致系统控制性能的下降。
 
1.2实时
 
在工业控制系统中,实时性可以定义为系统对事件响应时间的可测量性。也就是说,事件发生后,系统必须在精确可预测的时间范围内响应。然而,工业上对数据传输的实时性要求非常严格,数据更新往往在几十毫秒内完成。同样,由于以太网中的CSMA/CD机制,当发生冲突时,数据必须重新传输,最多可以尝试16次。很明显,这种冲突解决机制是以牺牲时间为代价的。一旦生产线下降,即使只有几秒钟,也可能导致整个生产停止,甚至设备、人身安全事故。
 
1.3可靠性
 
因为以太网在设计之初并不是为工业网络应用而设计的。当应用于工业现场时,面对恶劣的工作条件、严重的线间干扰等,不可避免地会导致其可靠性降低。在生产环境中,工业网络必须具有良好的可靠性、可恢复性和可维护性。也就是说,当网络系统中的任何组件发生故障时,都不会导致应用程序、操作系统甚至网络系统的崩溃和瘫痪。
 
2。以太网工业应用的解决机制
 
针对以太网的三大缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求,采用多种方法提高以太网的性能和质量,以满足工业领域的要求。以下是几种解决方案:
 
2.1交换技术
 
为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题,可以使用交换机。它使用了将共享局域网划分为有效冲突域的技术。交换机用于连接冲突域,以减少CSMA/CD机制引起的冲突和错误传输。这样,可以尽可能避免冲突,提高系统的确定性。但是,这种方法的代价很高,在分配和缓冲过程中存在一定的延迟。
 
2.2高速以太网
 
我们知道网络负载越大,冲突的可能性就越大。数据表明,当网络负负载小于36%时,基本上不会发生冲突。当负载小于10%时,10M以太网的冲突概率为每五年一次。每15年发生100M以太网冲突的概率。然而,超过36%后,随着载荷的增加,发生冲突的概率以几何级数的速率增加。显然,提高以太网的通信速度可以有效地降低网络负载。幸运的是,以太网中出现了通信速率为100M/s和1G/s的高速以太网。通过对系统中网络节点数和通信流的详细、全面的设计和控制,以太网可以作为工业网络。
 
2.3 IEEE1588对定时机构
 
IEEE1588定义了一种协议(PTP),用于测量和控制网络中与网络通信、本地计算和对象分配相关的时钟的精确同步。该协议并不排斥,但特别适用于基于以太网的技术,精度可达微秒级。它使用时间戳来同步本地时间。即使同步控制信号在网络通信中发生波动,其精度仍能满足要求。这使得它特别适用于基于以太网的系统。
 
利用该技术,以太网TCP/IP协议可以在高精度的网络控制系统中运行,无需作较大改动。在区域总线中,它比现有的系统更精确。此外,基于以太网TCP/IP协议的网络技术在各级企业中的应用也具有很大的优势。
 
IEEE1588定义的精确网络同步协议在网络中实现了高度的同步,因此在分配控制工作中不需要特殊的同步通信,从而达到了将通信时间模式与应用程序分离的效果。离子执行时间模式。由于同步精度高,以太网技术固有的数据传输时间波动降低到可接受的水平,而不影响控制精度的范围。IEEE1588的一个优点是它的标准非常具有代表性和开放性。由于其开放性,许多控制系统供应商已将此标准应用于其产品。而不同设备的制造商遵循相同的标准,这样他们的产品也能保证良好的同步性。
 
3。典型工业以太网
 
随着以太网技术的快速发展和80%的市场占有率和现场总线的明显缺陷,工业控制领域的主要生产商已经开发出适合自己的工业控制产品、兼容性强的工业以太网。其中,最广泛使用的工业以太网之一是西门子德国公司开发的SIMATIC网络工业以太网。它提供了一个开放的通信系统,适用于工业环境中的各种控制级别。这些通信系统基于国家和国际标准,并符合ISO/OSI网络参考模型。Simatic网络工业以太网的主要结构由网络硬件、网络组件、拓扑结构、当前处理器和Simatic网络软件组成。
 
3.1工业以太网的基本类型和网络硬件
 
Simatic网络工业以太网有两种类型:10Mbit/s工业以太网和100Mbit/s工业以太网。它是一种基于IEEE802.3,采用CSMA/CD介质接入方式的单元级和控制级传输网络。在西门子工业以太网中,常用的物理传输介质有屏蔽双绞线(TP)、工业屏蔽双绞线(ITP)和光纤。TP连接通常用于端到端连接。数据终端设备(DTE)直接连接到网络连接组件端口,该设备负责放大和转发信号。在Simatic网络工业以太网中,这些网络连接元素是OLM(光链路模板)、ELM(电连接模板)、OSM(光交换模板)和ESM(电交换模板)。DTE通过TP或ITP电缆与连接元件相连。
 
3.2 simatic网络工业以太网组件
 
SIMATIC网络工业以太网组件包括工业以太网链路模板OLM、ELM和工业以太网交换机OSM/ESM和ELS,以及工业以太网链路模块OMC。OLM(光链路模块)有三个ITP接口和两个BFOC接口。ITP接口可以连接三个终端设备和网段。BFOC接口可以以10Mbit/s的速度连接两个光学设备(如OLM)。ELM(电气连接模块)有三个ITP接口和一个AUI接口。网络设备可通过AUI接口以10Mbit/s的速度与局域网相连,在普通OSM上,电气接口(TP/ITP)为10/100Mbit/s自适应和线序自适应。光纤接口为100Mbit/s全双工BFOC接口,适用于多模光纤连接。两个OSM之间的最长距离为3公里。同一网段最多可连接50个OSM,延伸距离150公里。同时具有地址学习、地址删除、传输波特率(10或100Mbit/s)和自适应功能,简化了网络配置,增强了网络扩展能力。此外,根据IEEE802.1Q标准,OSM/ESM还支持VLAN(虚拟局域网),它为数据包提供VLAN优先级标签。它将数据分配到从低到高的优先级(0-7),并被认为是没有目标地址的数据包的低优先级数据帧。
 
3.3 simatic网络工业以太网的拓扑结构
 
3.3.1总线拓扑

在OLM或ELM的总线拓扑中,DTE设备可以通过ITP电缆和接口连接到OLM或ELM。每个OLM或ELM都有三个ITP接口。OLM可以通过光缆连接,最多可级联11个。ELM可以通过ITP XP标准电缆连接,最多13个级联。ESM可以通过TP/ITP电缆连接,形成一个通用网络。任何端口都可以用作级联端口。两个ESMS之间的距离不能超过100米,整个网络最多可连接50个ESMS。
 
 
3.3.2环拓扑
 
OLM可以通过光缆连接总线网络的端部和端部,形成环形网络。整个网络最多可连接11个OLM。与总线网络相比,冗余环网提高了数据交换的可靠性。OSM/ESM还可以形成具有网络冗余管理功能的环网拓扑。它们可以通过DIP交换机由网络中的任何OSM/ESM设置。
 
 
 
 

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