以太網在工業自動化領域的應用及研究

張建明

（河鋼股份有限公司承德分公司 河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067000）

信息技術的快速發展推動了自動化技術的變革，逐漸形成了集成網絡的自動化工業信息系統。為了更好地推動工業自動化領域發展，以太網的運用不應局限在工業生產的現場管理和控制，需要電氣技術人員加強研發以太網工業自動化系統，提升以太網的實時性、確定性和穩定，確保研發行業的高端產品。因此，掌握以太網在工業自動化領域的應用及研究尤為重要。

1 工業以太網概述

1.1 工業互聯網的業務需求分析

工業Internet 可以從工業和Internet 角度分析業務需求。從工業的角度來看，工業互聯網主要是從生產系統到業務系統的智能化，從內部和外部來看，生產系統本身都使用信息通信技術來實現，機器和系統之間的實時性，與企業之間進行智能連接和交互，并促進業務活動的優化。它的業務需求包括針對工業系統各個層面的優化，例如感知，實時監控，精確控制，數據集成，運營優化，供應鏈協作，需求匹配和服務增值。從Internet 的角度來看，工業Internet 的主要代表是業務系統轉型對生產系統的智能化。對于內部和外部，新的Internet 模型和市場營銷，服務和設計中的新業務形式將生產組織和生產模型的智能轉換聯系在一起。他的業務需求包括基于Internet 平臺的準確營銷、個性化、智能服務、協同設計、協同制造、柔性制造等。基于以上業務需求，可把工業互聯網的生產要素具體化為數據采集、數據實時上傳、數據分析、個性定制、聯網設計、精確控制、柔性制造等。這些要素對網絡提出了更高要求，包括支持海量數據連接、毫秒級低時延、Gbps級傳送速率、靈活柔性的組網模式、低功耗等。對于工廠外高速采集類業務，還要求支持高移動接入能力（500km/h）等。

1.2 工業以太網類型

工業以太網與普通的商用以太網兼容，但是在產品設計，材料選擇，產品強度，適用性和實用性方面可以滿足工業現場的需求。根據不同的實現方法，工業以太網可以分為三種類型：一種是通用的硬件標準TCP/IP 類型（以Ethernet/IP，ModBus/TCP等表示），另一種是通用的硬件定制時間數據傳輸協議類型（由EPA，ProfinetRT 等表示），第三種是自定義硬件實時數據傳輸協議類型（由EtherCAT，ProfinetIRT 等表示）。第一類與通用專用以太網，成本低廉，易于實現，但僅適用于實時性要求較低的工業過程自動化應用；第二類使用通用以太網控制器，但引入了特殊的實時數據傳輸協議用于傳輸的以太網幀可以實現更高的實時性能，這種結構在讀取以太網時受到實時層的限制；第三種類型基于第二種類型，底部使用專有的以太網控制器。實現實時通信控制，其優缺點十分明顯，優點是實時性強，缺點是成本高。

圖1 工業以太網傳輸過程

2 以太網技術在工業自動化領域的優缺點

2.1 優勢

以太網通訊具有良好的兼容性，而且傳輸速度較其它網絡速度較快，并且易于安裝，功率低，使用過程中穩定可靠。以太網和Internet 之間的連接非常簡單，它對企業的生產力和營銷帶來了重大變化。

2.2 缺陷

以太網是根據局域網設計的，在其他網絡上沒有應用層協議。因此，可以說以太網是一個相對不完整的網絡協議。以太網的信道分配方法不可靠，不適用于某些需要大量實時請求的情況。缺乏優先系統，電纜不夠長，并且在提高速度的同時會降低效率。當負載很重時，會出現一些沖突，這極大地影響了信息流。以太網最初是為辦公系統創建的。盡管其良好的性能已用于工業系統中，但仍然很難適應惡劣的工業環境。

3 工業自動化領域中以太網的運用發展與研究

3.1 強化自動化系統的控制、組態和數據采集工作

在工業自動化領域的拓展和延伸方面，為了能夠更好地實現工業的自動化，并發揮出工業自動化的優勢和價值，運用以太網的技術來強化工業自動化系統的控制功能、組態功能和數據采集功能，逐步實現設備之間的數據交換，對傳輸任務的網絡進行控制，設定優先級和中斷功能，并實現對數據的自動化采集，這樣有利于工業自動化數據的具體分析、預測發展趨勢，做好診斷故障和維護工作，充分發揮出以太網高速、廉價的優勢和特點，不斷豐富工業自動化領域的發展內容，提升工業自動化發展水平。

3.2 強化以太網的實時性和確定性

盡管以太網已廣泛用于工業自動化領域，并在工業自動化領域中發揮著重要的作用。但是以太網在不斷變化發展的計算機通信網絡環境中更好地構建和完善局域網，必須要強化對以太網的實時性和確定性。通過運用交換技術，構建一個以交換機為媒介的以太網系統，實現對數據包的有效安排，明確發送順序，通過運用系統點對點的模式來實現數據的發送，這樣不會造成碰撞的問題發生，能夠促進網絡穩定性和安全性的有效提高。與此同時，以太網的交換器能夠支持多端的網絡通信，能夠連接不同速率的網絡，具有極佳的相容性，使得以太網的實時性得到更好地提高。

3.3 無線網絡助力工業互聯網發展

隨著制造業不斷發展，工業網絡需要適配多樣化場景，無線技術成為工業互聯網重要發展方向。與現有的有線網絡相比，無線技術具有明顯的優勢：首先，它大大降低了網絡建設和維護的成本：無線網絡可以快速部署，而無需在現場環境中鋪設電纜和相關保護設備；無線技術的使用將大大降低測控系統的安裝和維護成本。二是提高生產線的靈活性：無線技術實現了現場設備的移動性，提高了生產設備部署的靈活性。用戶可以根據工業生產和應用需求快速實現生產線的改造，為實現柔性生產線打下技術基礎。第三是可以實現的部署環境的廣泛性：無線技術突破了電纜部署限制，具有多種網絡部署架構，可以在各種工業場景中實現快速部署。

3.4 打造5G網絡的工業互聯網

5G 可以提供高效率、高質量、低成本的網絡連接，完美契合了工業互聯網的組網要求。權威研究機構IHS 發布的研究報告顯示，2035 年，5G 使能的工業制造空間將高達3.4 億美元。在鋼鐵企業中，5G 網絡能靈活支撐智能制造的多種業務場景，包括機械臂協同控制所需要的毫秒級低時延（LTE 理論時延在10ms 級，實際現網時延多在30ms ～60ms）、先進的生產輔助AR（增強現實）系統所需的超高帶寬、大規模流水線生產所需的海量機器連接，在2019 年上海MWC（世界移動通信大會）期間，中國移動和華為、ABB 共同開發的機械臂檢修整車用于展示超低時延切片在工業制造中的應用，該切片基于對接入、傳輸、核心網的域內域間編排控制技術、邊緣計算（MEC）部署來達到毫秒級時延保障，最低可達1ms，因此5G 網絡將成為未來鋼鐵企業發展的主流網絡。

4 結語

綜上所述，在科學信息技術不斷發展的前提下，以太網的發展速度也在不斷加快，并在工業自動化領域中得到了廣泛的運用。以太網具有易于與Internet 連接、與計算機發展速度和水平相適應的發展優勢，在工業自動化領域中發揮著積極地作用和價值。鋼鐵企業的技術人員要重視對以太網的有效運用，結合企業自身的發展需要和要求，充分融合和運用以太網的多項優勢，提升工業現場的自動化和智能化水平。