工业以太网在西江引水工程的应用

朱锦荣

摘要：本文简单介绍了以太网技术的发展；对以太网用于工业领域需解决的问题进行论述，并提出相应解决方法；进而通实例介绍了工业以太网在西江引水工程的应用。

关键词：工业以太网；特点；西江引水工程

1.以太网介绍

以太网是由Xerox公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

上世纪90年代，以太网得到了高速的发展，并吸纳后推出了传输速率为100Mb/s快速以太网、1 Gb/s以太网和10 Gb/s速率以太网等高速以太网技术。以太网帧格式特别适合于传输IP数据包。随着Internet的快速发展，以太网被广泛使用。

2、以太网用于工业域存在的问题

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、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。但由于以太网是以办公自动化为目标而设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工控领域还存在一些问题，主要有以下几个方面。

（1）存在实时性差，不确定性的问题

传统以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）,并且采用1坚持二进制质数后退算法（BEB）处理冲突。具有排队延迟不确定的缺陷，每个网络节点要通过竞争来取得信息包的发送权。通信时节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发，因此无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性。

（2） 工业可靠性问题

由于以太网在设计之初是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要。在面对相对恶劣的工作环境，必然会引起其可靠性降低。由于工业环境对EMI(工业抗干扰)和ESD(工业抗震)的不同需求，对EMC（电磁兼容性）也提出更高的要求。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

（3） 安全性问题

以太网由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安全漏洞。

3．以太网工业应用的解决办法

针对以上以太网工业用的缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，除了选用能在恶劣的工业环境中可靠工作的工业级以太网设备外，目前已采用多种方法来改善网的性能和品质，已满足工业领域的要求

（1）采用交换技术以避免数据冲突

通过交换式集线器可以认为是一个受控的多端口开关矩阵，各个端口之间的信息流是隔离的，在源端和交换设备的目标端之间提供了一个直接快速的点到点连接。不同端口可以形成多个数据通道，端口之间的数据输入和输出不再受CSMA/CD的约束。多个交换把整个以太网分解成许多独立的区域，以太网的数据冲突只在各自的冲突域里存在，不同域之间没有冲突，可以大大提高网络上每个站点的带宽，从而提高了交换式以太网的网络性能和确定性。

（2） 采用高速以太网以降低冲突概率

随着网络技术的迅速发展，先后产生了高速以太网（100M）和千兆以太网产品和国际标准，10G以太网产品也已经面世。通过提高通信速度，可以有效降低网络的负荷率，从而降低冲突概率。结合交换技术，再对网络节点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工控网络。

（3） 采用虚拟局域网技术

虚拟局域网（VLAN）的出现打破了传统网络的许多固有观念，使网络结构更灵活、方便。实际上，VLAN就是一个广播域，不受地理位置的限制，可以根据部门职能、对象组和应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机的每一个端口只能标记一个VLAN，同一个VLAN中的所有站点拥有一个广播域，不同VLAN之间广播信息是相互隔离的，这样就避免了广播风暴的产生。

3、工业以太网在西江引水工程中的实例。

西江引水工程作为广州市原水系统的重要组成部分，设置相对集中的运行子调度控制中心，接受广州市供水调度中心的宏观调度命令，并全面负责整个西江引水工程范围内从取水、输水、配水到受水厂的全过程输配水生产调度及安全生产各措施，以满足广州市西北部地区净水厂的原水供应需求。 在鸦岗配水泵站设立子调度中心，综合实施安全生产全过程控制。 在取水泵站、鸦岗配水泵站分别设置泵站监控中心，贯彻子调度中心下达的有关指令，上报所属设备的运行情况并对其实施控制调整操作；

以鸦岗配水泵站为例，在进行系统设计时主要以体现可靠性（安全性）、开放性（可扩展性）、经济性（实用性）以及互联性为原则。整个控制系统由一个公用主站和十二个现场控制站组成。

监控网络结构选用1Gb/s 光纤以太环网，泵站内监控以及现场控制PLC均通过工业级网络交换机挂接在以太网上，PLC通过现场总线和高低压柜以及现场自控仪表进行数据通信。

十二个现场控制站（每台水泵一个）设置在泵房内。每个现场控制站均设置一套具有逻辑控制功能、故障自诊断和自动切换功能的PLC(选用AB公司的COMPACTLOGIX 系列PLC)、操作员终端以及辅助设备能按要求或提供的参数进行调节，提供所属设备运行的联动、联锁和控制，提供设备的闭环运行控制，运行（远控/就地/一步化）模式的切换。同时通过1Gb/s 光纤以太环网的数字通信将相关的诊断维护信息送往中央监控主站，并接受上位机的数据，作为调节和控制的依据。

公用主站可调用现场控制站的全部运行信息，并通过一定权限设定控制现场主要设备的启停，实现整个泵站的调度管理。

4、小结

工业以太网以其特有的低成本，高实效，高扩展性及高智能的魅力，在各个行业中得到月越来越多的运用。随着国际工业以太网标准的推出，以太网技术和通信技术的不断发展，推动着工业以太网技术的进一步发展。由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到设备控制层，随着工业以太网技术的发展将会取代现有的继续现场总线的工业网络，成为水行业工程网络中的主流技术之一。■

参考文献

[1]徐皑冬,王宏,杨志家.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制,2000年4月,第29卷,第2期

[2]贾东耀,汪仁煌.工业控制网络结构的发展趋势[J].工业仪表与自动化装置,2002年,第5期