工业以太网将切底颠覆自动化的未来
发布时间：2012-7-19 14:16
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工业以太网行业发展形势 以太网（Ethernet）出现于1975年，1982年成为IEEE802.3标准的第一版本。1990年2月，该标准正式成为ISO/IEC8802.3国际标准。在商用数据通信领域，以太网技术发展成为互联网的基础通信技术，导致了一场全球信息技术的革命。以太网的成功之处在于实现了便捷的网络互连，通过以太网连接的网络和设备可以是不同类型的网络、运行不同网络协议的设备和系统，联网的设备可以方便地实现互连、互通与互操作。 进入21世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制网络。工业以太网交换机是在商用以太网交换机（IEC8802.3标准）的基础上研制而成的，适应不同工业控制系统的功能和性能需求，适应各种恶劣环境的高可靠性数据交换设备。 2007年12月，IEC出版了IEC61158现场总线第四版国际标准，包括EPA实时以太网在内的9种类型的工业以太网进入新版标准。它标志着工业以太网技术成为与现场总线技术并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。工业以太网为机器与机器之间的 
数据通信提供了统一的网络平台，是未来物联网的重要网络基础。工业以太网与商业以太网都符合OSI模型，但针对工业控制实时性、高可靠性的要求，工业以太网在链路层、网络层增加了不同的功能模块，在物理层增加了电磁兼容性设计，解决了通信实时性、网络安全性、抗强电磁干扰等技术问题。目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工业领域中。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于产业发展的导入期，最近十年的增长速度远高于互联网和现场总线的增长速度。 工业以太网将成为工控的“宠儿” 随着自动化渗入行业的力度越来越大，实时，快速的工业网络通信也成为了现代化制造的发展必经之路。在多年以前单一的通信，到现在猛然盛行的工控“宠儿”以太网，无疑让我们见识了到了自动化力量的强大。 以太网现在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E网到底”奠定了良好的基础。工业以太网已经被业内认为是未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现场总线中的主流技术。 关于评价工业以太网架构优劣的参考点，大概来分应该就是以下三点： 一是网络的确定性和实时性 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和信号的确定性，所以工业以太网架构解决方案的重点问题是网络的确定性和实时性。比如ModicomQuantum以太网IO解决方案，通过支持RSTP(快速树生成协议)等协议，从而保证了数据的实时传输和整体系统的确定性。 二是网络的可靠性和可维护性 由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，在工厂环境中，工业网络必须具备良好的可靠性、可恢复性及可维护性。例如施耐德电气推出的带保护涂层的加固性PLC控制器和工业以太网交换机，特别面向恶劣工业控制环境对设备高可靠性和可维护性的要求。 
第三，工业系统的网络安全 工业以太网可以将企业传统的三层网络系统合成一体，使数据的传输速率更快，实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。但同时也引入了一系列的网络安全问题，如工业网络可能会受到包括病毒感染、非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。 工业以太网架构本身的特性决定了它能给客户带来更多的收益，以太网的可持续性和可扩展性，为设备未来升级改造提供了极大的便利性;以太网的透明性，可以实现网络设备的互访和交换，总而言之，工业以太网作为未来工业控制的主流技术已是大势所趋。 2015年PROFINET将占中国工业以太网市场28% 2012年4月6日，中国PROFIBUS&PROFINET协会(以下简称PI-China)第一届第三次会员代表大会在北京召开，PI-China理事会及48家会员单位均派代表出席了会议。全体PI-China理事会成员——西门子(中国)有限公司、ABB(中国)有限公司、南京菲尼克斯电气有限公司、通用电气智能设备(上海)有限公司和机械工业仪器仪表综合技术经济研究所都参加或派代表出席了本次会员大会，其他会员单位包括瑞典HMS工业网络有限公司北京代表处、苏州美名软件有限公司、北京叠文科技有限公司，万可电子(天津)有限公司，博太科电气(上海)有限公司、赫优信(上海)自动化系统贸易有限公司、上海自动化仪表股份有限公司、重庆川仪自动化股份有限公司等。值得一提的是，新加入的PI-China用户会员包括汽车工程学会蔡云生女士、冶金自动化研究设计院王丽娜女士、中国石化工程建设公司林融先生，华北电力设计院工程有限公司马欣欣女士从用户角度就PI-China如何更好地提供服务及开展PROFIBUS和PROFINET技术推广活动等问题与广大会员进行了积极沟通，在肯定PI-China服务和作用的同时，纷纷表示将充分利用PI-China提供的交流平台，加强与制造商会员间的相互合作，并积极参与协会的各项活动。 通过PI-China理事会、秘书处及各工作组的汇报发言，体现了PI-China组织由松散到具有凝聚团结集体的发展过程，在发展壮大的同时，不断地注入新的力量，离不开广大会员单位的努力和各方力量的支持和帮助。会议还为会员单位提供了一个良好的沟通交流的机会，与会的会员代表纷纷表示继续积极参与和配合PI-China的各项工作，有信心，有决心发挥社团组织与用户沟通的桥梁纽带作用，促进PROFIBUS和PROFINET技术在中国的发展和应用。 
工业以太网的优势及存在问题 (1)优势 基于TCP/IP的以太网是一种标准开放式的网络,由其组成的系统兼容性和互操作性好,资源共享能力强,可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享;数据的传输距离长、传输速率高;易与Internet连接,低成本、易组网,与计算机、服务器的接口十分方便,受到了广泛的技术支持。 (2)存在问题 工业以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD),无法保证数据传输的实时性要求,是一种非确定性的网络系统;安全可靠性问题,以太网采用超时重发机制,单点的故障容易扩散,造成整个网络系统的瘫痪;对工业环境的适应能力问题,目前工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力等都是值得关注的问题,很难适应环境恶劣的工业现场;本质安全问题,在存在易燃、易爆、有毒等环境的工业现场必须要采用安全防爆技术;总线供电问题。在环境恶劣危险场合,总线供电具有十分重要的意义。 新网络协议助力工业以太网 传统的工业以太网解决方案，往往采用主控CPU连接物理层接口芯片，在主控器内编写以太网通讯协议。 传统的工业以太网解决方案，往往采用主控CPU连接物理层接口芯片，在主控器内编写以太网通讯协议。这种方法需要编写繁琐的程序并且耗费大量的时间调试，由于网络协议一般都比较大，写入软件后稳定性欠佳，不利于系统的快速开发与稳定运行。而且客户时常会有新的需求，这种用软件实现的方式就很难满足频繁更新升级的要求。因此，一种方式就是将网络协议的处理独立于系统处理器之外，让应用程序与资料的输入/输出分别执行于不同的硬件，来适应多方面的条件。它将网络协议的处理分成一个由特定处理器执行的控制部分和一个硬件线路部分，这种方式的优点是具有较短的开发周期与较高的弹性，而且能够增加稳定性与有效降低主CPU负担，模块化的设计也便于以后系统的升级。 工业以太网将走向融合时代 网络技术与工业控制系统的结合将极大地提高控制系统的水平，改变现有控制系统相对封闭的企业信息管理结构。将现场总线、以太网、嵌入式技术和无线通信技术融合到控制网络中，在保证系统稳定性的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，从而有助于企业加快新品开发、降低生产成本、完善信息服务。 无线技术进入工业领域的趋势是毋庸置疑的，特别是在有线无法使用的场合，无线技术更具优势。目前各供应商正在提供一系列软硬件技术，协助在产品中增加通信功能。然而，在增加无线连网功能时，芯片及相关软件的选择极具挑战性。同时，无线技术的可靠性、实时性、兼容性等性能还有待加强。 
从“管理、控制、智能”的角度来看，工业自动化包含采集、传输、计算等环节，而物联网是全面感知、可靠传递、智慧处理，两者一脉相承。 从物联网需要的产业链角度看，物联网所需要的自动控制、信息传感、射频识别等属于其上游技术和产业，而下游则是物联网的应用问题。有专家认为，“传统工业自动化领域其实是物联网的一部分。”工控厂商应成为物联网真正落地的推手 协议的标准化意味着网络环境的控制系统具有更好的开放性、互操作性。在控制网络中，传统的DCS自成体系；FCS尽管已经达成国际标准，但现场总线种类仍有10多种；工业基础以太网也出现了多个国际标准协议。 由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放、透明的通讯协议是必然要求。如今，工业以太网进入控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术，现场总线技术与工业以太网技术进一步融合必然是发展方向。因此，通信协议的标准渐近化将是一个漫长过程。 |
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