淺析工業以太網技術及應用

廣東省梅州市磁性材料廠 涂 銳

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淺析工業以太網技術及應用

廣東省梅州市磁性材料廠 涂 銳

【摘要】本文主要介紹了工業以太網的特點及其在工業網絡控制領域的應用。

【關鍵詞】工業以太網；現場總線；以太網

1 工業以太網簡介和優點

工業以太網源于以太網技術。20世紀70年代 Xerox、Dec、Intel等公司聯合推出了以太網。80年代中期，IEEE在以太網的基礎上，制定了IEEE802.3標準。工業以太網，通俗的講就是應用于工業的以太網，是指其在技術上與商用以太網IEEE802.3標準兼容。工業以太網提供了針對工業控制網絡的數據傳輸的以太網標準。與商用的以太網相比，工業以太網主要是基于工業標準，利用了交換以太網結構，針對工業生產的需求進行多方面的改進。

2 工業以太網的優點

工業以太網之所以能迅速成為工業控制網絡系統的主流，不僅僅是因為它用途廣泛，最重要的原因是它具備以往控制系統不具備的優點。

2.1 系統開放性好

工業以太網基于TCP/IP協議，是一種標準的開放式網絡協議。解決以網工業控制系統各廠商協議不同不能通信的弱點。工業以太網支持大多數編程語言，如JAVA，Visual C++，更容易對系統進行二次開發。

2.2 更高的數據傳輸率

工業以太網以計算機以太網為基礎，支持數據傳輸率可達10Mbit/s、100Mbit/s、10Gbit/s。

2.3 與信息網絡無縫連接

工業以太網與Internet/Intranet通信協議相同，能夠實現與信息網絡聯網，共享數據。與遠程web技術結合在一起，可以實現生產過程的遠程監控、遠程設備管理、遠程軟件維護和遠程設備診斷。

2.4 通信傳輸介質豐富

以太網支持多種傳輸介質，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無線等。可根據帶寬、距離、價格等因素合理選擇。且工業以太網支持總線型結構、星型拓撲結構、環形拓撲結構、混合性拓撲結構，可擴展性強，對于重要的通信線路可采用多種冗余連接方式提高網絡的可靠性。

3 主流的工業以太網

目前主流工業以太網協議有五個，分別是Ethernet/IP、Profinet、Powerlink、EtherCAT、Sercosiii。其中應用較廣的有Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT三種工業以太網協議，還要介紹一下我國的工業以太網協議EPA。

3.1 Ethernet/IP

EtherNet/IP是一個開放的工業標準， 2000年初始發布，它是通過以太網技術，基于常規的TCP/IP協議，并帶有可選的UDP/IP對象嵌入協議，CIP經由以太網公用接口協議，傳輸I/O數據，組態與診斷，形成一個中心星型控制網絡。EtherNet/IP提高了設備間的互操作性。

3.2 Profinet

德國西門子公司于2001年發布了該協議，它是將原有的Profibus與互聯網技術結合，形成了PROFINET的網絡方案。它基于組件對象模型的分布式自動化系統，規定了Profinet和標準以太網之間的開放、透明通信，包括設備層和系統層的系統模型。Profinet采用標準TCP/IP十以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM來完成節點間的通信和網絡尋址。傳統的Profibus設備可通過代理Proxy與Profinet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現COM對象間的調用。

3.3 EtherCAT

2003年，由Beckoff公司開發，它是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統。EtherCAT協議針對過程數據進行了優化，它被直接傳送到以太網幀，或被壓縮到UDP/IP數據報文中。UDP協議在其它子網中的EtherCAT網段由路由器進行尋址的情況下使用。EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度，比如1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間，因此EtherCAT適用于高精度設備同步。

3.4 EPA

EPA（工業測量與控制系統）是我國制定的第一個擁有自主知識產權的工業自動化標準。2005年3月，我國制定的EPA系統結構與通信規范被國際電工委員會發布為IEC/PAS 62409標準。這是我國自動化領域第一個被國際標準化組織接收和發布的標準。EPA是一個分布式系統簡單的說是將若干個小系統、設備連接起來共同完成工業測量與控制。它的優點有適用于各種拓撲結構、速率高、支持多種應用場合、實時通信和可靠性通信、無線通信等。

4 工業以太網應用實例

本公司有20臺150噸液壓成型機進行鐵氧體磁體成型工作，以前每臺液壓機單獨工作，每臺液壓機由機內的PLC（西門子cpu226cn）控制工作，由于本公司磁體品種繁多，每次換產品生產時，都要經過手持設備或觸控屏更改設備較多工藝參數，技術員每次轉產時都很忙而且很容易出錯，逐一檢查工藝參數要花費大量時間，給生產帶來很大困擾。如圖1，通過使用工業以太網技術后，每臺液壓機做為下位機通過以太網模塊（西門子cp243-1）使用屏避雙絞線接入工業以太網交換機（MOXA ES-1026 24口），將它們放在一個IP的地址段內最好是一個單獨的VLAN中，各下位機PLC的網關設為上位機計算機的IP地址，整個控制全部由上位機計算機利用組態軟件WinCC進行控制。改造完成后，技術員在熟悉系統軟件后可利用上位機靈活、準確的控制各臺液壓機的工藝參數，并可以遠程監控每臺機的工作情況及工藝參數變化，大幅提高了本公司產品成型的合格率和效率。

圖1

5 結束語

目前工業以太網已成為工業控制網絡系統的主要趨勢，未來在工業領域應用會更加廣泛，同時工業以太網還存在很多問題，比如網絡安全問題、各工業以太網協議應用層兼容問題、實施成本問題等。

參考文獻

［1］杜品圣.工業以太網原理與應用［M］.國防工業出版社，2007.

［2］謝希仁.計算機網絡（第五版）［M］.電子工業出版社，2008.

［3］李正軍.現場總線與工業以太網及其應用技術.2011.

［4］向曉漢.西門子PLC工業通信完全精通教程［M］.清華大學出版社，2013.

作者簡介：

涂銳，大學本科，工程師，現供職于廣東省梅州市磁性材料廠，研究方向：電子電氣設備與自動化控制。