浅析工业以太网技术及应用

广东省梅州市磁性材料厂 涂 锐



浅析工业以太网技术及应用

广东省梅州市磁性材料厂 涂 锐

【摘要】本文主要介绍了工业以太网的特点及其在工业网络控制领域的应用。

【关键词】工业以太网；现场总线；以太网

1 工业以太网简介和优点

工业以太网源于以太网技术。20世纪70年代 Xerox、Dec、Intel等公司联合推出了以太网。80年代中期，IEEE在以太网的基础上，制定了IEEE802.3标准。工业以太网，通俗的讲就是应用于工业的以太网，是指其在技术上与商用以太网IEEE802.3标准兼容。工业以太网提供了针对工业控制网络的数据传输的以太网标准。与商用的以太网相比，工业以太网主要是基于工业标准，利用了交换以太网结构，针对工业生产的需求进行多方面的改进。

2 工业以太网的优点

工业以太网之所以能迅速成为工业控制网络系统的主流，不仅仅是因为它用途广泛，最重要的原因是它具备以往控制系统不具备的优点。

2.1 系统开放性好

工业以太网基于TCP/IP协议，是一种标准的开放式网络协议。解决以网工业控制系统各厂商协议不同不能通信的弱点。工业以太网支持大多数编程语言，如JAVA，Visual C++，更容易对系统进行二次开发。

2.2 更高的数据传输率

工业以太网以计算机以太网为基础，支持数据传输率可达10Mbit/s、100Mbit/s、10Gbit/s。

2.3 与信息网络无缝连接

工业以太网与Internet/Intranet通信协议相同，能够实现与信息网络联网，共享数据。与远程web技术结合在一起，可以实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。

2.4 通信传输介质丰富

以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等。可根据带宽、距离、价格等因素合理选择。且工业以太网支持总线型结构、星型拓扑结构、环形拓扑结构、混合性拓扑结构，可扩展性强，对于重要的通信线路可采用多种冗余连接方式提高网络的可靠性。

3 主流的工业以太网

目前主流工业以太网协议有五个，分别是Ethernet/IP、Profinet、Powerlink、EtherCAT、Sercosiii。其中应用较广的有Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT三种工业以太网协议，还要介绍一下我国的工业以太网协议EPA。

3.1 Ethernet/IP

EtherNet/IP是一个开放的工业标准， 2000年初始发布，它是通过以太网技术，基于常规的TCP/IP协议，并带有可选的UDP/IP对象嵌入协议，CIP经由以太网公用接口协议，传输I/O数据，组态与诊断，形成一个中心星型控制网络。EtherNet/IP提高了设备间的互操作性。

3.2 Profinet

德国西门子公司于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了PROFINET的网络方案。它基于组件对象模型的分布式自动化系统，规定了Profinet和标准以太网之间的开放、透明通信，包括设备层和系统层的系统模型。Profinet采用标准TCP/IP十以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。传统的Profibus设备可通过代理Proxy与Profinet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象间的调用。

3.3 EtherCAT

2003年，由Beckoff公司开发，它是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统。EtherCAT协议针对过程数据进行了优化，它被直接传送到以太网帧，或被压缩到UDP/IP数据报文中。UDP协议在其它子网中的EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用。EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度，比如1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间，因此EtherCAT适用于高精度设备同步。

3.4 EPA

EPA（工业测量与控制系统）是我国制定的第一个拥有自主知识产权的工业自动化标准。2005年3月，我国制定的EPA系统结构与通信规范被国际电工委员会发布为IEC/PAS 62409标准。这是我国自动化领域第一个被国际标准化组织接收和发布的标准。EPA是一个分布式系统简单的说是将若干个小系统、设备连接起来共同完成工业测量与控制。它的优点有适用于各种拓扑结构、速率高、支持多种应用场合、实时通信和可靠性通信、无线通信等。

4 工业以太网应用实例

本公司有20台150吨液压成型机进行铁氧体磁体成型工作，以前每台液压机单独工作，每台液压机由机内的PLC（西门子cpu226cn）控制工作，由于本公司磁体品种繁多，每次换产品生产时，都要经过手持设备或触控屏更改设备较多工艺参数，技术员每次转产时都很忙而且很容易出错，逐一检查工艺参数要花费大量时间，给生产带来很大困扰。如图1，通过使用工业以太网技术后，每台液压机做为下位机通过以太网模块（西门子cp243-1）使用屏避双绞线接入工业以太网交换机（MOXA ES-1026 24口），将它们放在一个IP的地址段内最好是一个单独的VLAN中，各下位机PLC的网关设为上位机计算机的IP地址，整个控制全部由上位机计算机利用组态软件WinCC进行控制。改造完成后，技术员在熟悉系统软件后可利用上位机灵活、准确的控制各台液压机的工艺参数，并可以远程监控每台机的工作情况及工艺参数变化，大幅提高了本公司产品成型的合格率和效率。

图1

5 结束语

目前工业以太网已成为工业控制网络系统的主要趋势，未来在工业领域应用会更加广泛，同时工业以太网还存在很多问题，比如网络安全问题、各工业以太网协议应用层兼容问题、实施成本问题等。

参考文献

［1］杜品圣.工业以太网原理与应用［M］.国防工业出版社，2007.

［2］谢希仁.计算机网络（第五版）［M］.电子工业出版社，2008.

［3］李正军.现场总线与工业以太网及其应用技术.2011.

［4］向晓汉.西门子PLC工业通信完全精通教程［M］.清华大学出版社，2013.

作者简介：

涂锐，大学本科，工程师，现供职于广东省梅州市磁性材料厂，研究方向：电子电气设备与自动化控制。