簡(jiǎn)單的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)概述隨著工業(yè)測(cè)控要求的不斷提高，傳輸?shù)男畔⒘坑鷣碛?，要求的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率越來越高，現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單的協(xié)議、較低的通信速率顯出其不適應(yīng)。另外，基于以太網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)信息網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用，在企業(yè)管理和經(jīng)營(yíng)中起著重要的作用。管理者除了通過信息網(wǎng)進(jìn)行企業(yè)的管理，也希望通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)管控一體化。由于現(xiàn)在的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與在企業(yè)信息網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)的不兼容，加之，現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控網(wǎng)數(shù)目眾多的不兼容的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一直困擾著工業(yè)界，人們自然地就提出能否將在局域網(wǎng)和Internet上已取得巨大成功的、成為事實(shí)上的通用標(biāo)準(zhǔn)的、有著廣泛技術(shù)支持的以太網(wǎng)技術(shù)延伸至底層的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)信息平臺(tái)其主要任務(wù)之一是建立高速的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)絡(luò)，解決所有子系統(tǒng)傳輸物理通道。綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)遵循數(shù)字化、高速化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，安全可靠、易擴(kuò)充升級(jí)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。工業(yè)以太網(wǎng)選型工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)選型當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應(yīng)用層包括HT-TP、FTP、SNMP等常用協(xié)議，但當(dāng)它用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議，目前還沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，但受到廣泛支持并已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品的有以下凡種主要協(xié)議。ModbusTCP/IP該協(xié)議由施耐德公司推出，以一種非常簡(jiǎn)單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，成為ModbusTCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個(gè)呼叫都要求一個(gè)應(yīng)答，這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus的主/從機(jī)制相互配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性，利用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)頁(yè)的形式可以使用戶界面更加友好。利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器便查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行情況。施耐德公司已經(jīng)為Mod-bus注冊(cè)了502端口，這樣就可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)嵌人到網(wǎng)頁(yè)中，通過在設(shè)備中嵌入Web服務(wù)器，就可以將Web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端。SHE基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱HSE(HighSpeedEthernet)。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3，TCP/IP協(xié)議族與FFIll的結(jié)合體。FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。HSE技術(shù)的一個(gè)核心部分就是鏈接設(shè)備，它是HSE體系結(jié)構(gòu)將Hl(31.25kb/s)設(shè)備連接100Mb/s的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，同時(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)橋功能能夠用于連接多個(gè)H1總線網(wǎng)段，使同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對(duì)等通信而無需主機(jī)系統(tǒng)的干涉；網(wǎng)關(guān)功能允許將HSE網(wǎng)絡(luò)連接到其他的工廠控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，HSE鏈接設(shè)備不需要為H1子系統(tǒng)作報(bào)文解釋，而是將來自H1總線網(wǎng)段的報(bào)文數(shù)據(jù)集合起來并且將Hl地址轉(zhuǎn)化為IP地址。EtherNet/IPEthernet/IP是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它是由ODVA(OpenDeviceNetVendorsAsso-cation)和ControlNetInternational兩大工業(yè)組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet—樣，它們都是基于CIP(ControlandInformationProto-Col)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式(控制)的實(shí)時(shí)I/O信息和顯式信息(包括用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等)的有效傳輸。Ethernet/IP采用和DeviceNet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)議CIP。因此,它們使用相同的對(duì)象庫(kù)和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。Ethernet/IP采用標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet和TCP/IP技術(shù)傳送CIP通信包，這樣通用且開放的應(yīng)用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的Ethernet和TCP/IP協(xié)議，就構(gòu)成Ethernet/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。本次方案中使用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)TCP/IP技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)。其他的總線結(jié)構(gòu)方式如RS485、CAN、RS232等均通過總線端口轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)信息包，在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)寬帶傳輸網(wǎng)徹底突破了低速總線下的技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)容量大大增加，穩(wěn)定性提高；能在同一平臺(tái)上運(yùn)行不同的傳輸協(xié)議，從而建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或者基礎(chǔ)構(gòu)架。隨著煤礦企業(yè)的發(fā)展，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及信息集成越來越重視，各種新技術(shù)的應(yīng)用，可以預(yù)見對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求越來越高，因此工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬。支持先進(jìn)的多主并發(fā)通訊模式，系統(tǒng)檢測(cè)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；同時(shí)支持交互式和開放的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)；總之，采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為交換傳輸和接入平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)選型目前工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要還是環(huán)型和星型，基于安全可靠方面的考慮，各礦工業(yè)以太網(wǎng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與星型混合結(jié)構(gòu)，如，即：主干網(wǎng)絡(luò)采用1000M環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所有子系統(tǒng)采用總線方式就近接入環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)部分需實(shí)施自動(dòng)控制達(dá)到無人職守而距離環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的子系統(tǒng)采用100M星型結(jié)構(gòu)。22工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)特點(diǎn)系統(tǒng)支持光纖冗余環(huán)網(wǎng)工作模式，接節(jié)故障不影響整個(gè)系統(tǒng)性能，故障自恢復(fù)時(shí)間短（0.05S），通信更加可靠；所有交換機(jī)采用高性能的MOXA模塊化千兆交換機(jī)，避免網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)故障，同時(shí)滿足以后的擴(kuò)容和升級(jí)；環(huán)網(wǎng)核心交換機(jī)具有路由功能的卡軌式模塊交換機(jī)。核心交換機(jī)有相對(duì)獨(dú)立的模塊插槽，每個(gè)模塊插槽能夠配置一塊引擎模塊，引擎模塊上的子卡插槽，可以配置不同種類的網(wǎng)絡(luò)接口卡平臺(tái)傳輸速率高、帶寬容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾和雷擊能力加強(qiáng)。為數(shù)據(jù)、視頻、語音三網(wǎng)合一提供了足夠的帶寬；整個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)可對(duì)所有的綜合自動(dòng)化網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)故障實(shí)時(shí)報(bào)警。在礦信息網(wǎng)與監(jiān)控網(wǎng)中采用天融信防火墻連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)的安全隔離。采用先進(jìn)的多主并發(fā)通訊模式，系統(tǒng)檢測(cè)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。核心交換機(jī)提供OPC協(xié)議，支持監(jiān)控軟件的集成。整個(gè)寬帶傳輸網(wǎng)徹底突破了低速總線下的技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)容量大大增加，穩(wěn)定性提高；由于以Internet/Intranet/Infranet為整體構(gòu)架，具有開放的傳輸接入平臺(tái)，系統(tǒng)集成能力顯著提高，今后礦井各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)均可方便就近接入，易于擴(kuò)展，無須重復(fù)布線，節(jié)約投資，平臺(tái)同時(shí)支持光纖多模、單模、超五類雙絞線傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)靈活；可方便與局域網(wǎng)企業(yè)綜合管理信息系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信息共享；支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多重冗余方式，如（單）環(huán)網(wǎng)冗余、單環(huán)雙節(jié)點(diǎn)冗余、雙總線冗余、雙環(huán)網(wǎng)冗余和環(huán)間冗余，本次投標(biāo)方案采用單環(huán)單節(jié)點(diǎn)雙冗余環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)支持多光口、電口混合連接，支持Web管理，支持SNTP簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，準(zhǔn)確記錄故障時(shí)間。交換機(jī)支持流量控制功能，防止廣播風(fēng)暴；支持端口的優(yōu)先級(jí)劃分和VLAN劃分；支持端口和MAC地址的綁定，提高系統(tǒng)安全性。平臺(tái)網(wǎng)管功能4.1報(bào)警分類端口報(bào)警、電源報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)流向分析、網(wǎng)絡(luò)流量分析?？蓡为?dú)為每個(gè)設(shè)備，端口，電源，風(fēng)扇/機(jī)箱等設(shè)定各自狀態(tài)發(fā)送的方式配置IP參數(shù)和陷阱目標(biāo)。提供端口，設(shè)備和VLAN管理功能，配置工具可以配置單獨(dú)的任何設(shè)備和存貨清單。節(jié)點(diǎn)數(shù)可自行配置（25/50/100/250）。4.3流量控制環(huán)網(wǎng)交換機(jī)支持VLAN、QOS功能，可實(shí)現(xiàn)流量控制。主要設(shè)備功能描述平臺(tái)采用重慶院開發(fā)的技術(shù)先進(jìn)成熟的高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線模式構(gòu)建。5.1環(huán)網(wǎng)交換機(jī)（KJJ103A）選用國(guó)際國(guó)內(nèi)知名MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為內(nèi)核，穩(wěn)定性強(qiáng)，性能指標(biāo)高。其單臺(tái)交換機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下：光信號(hào)接口：1） 傳輸方式：全雙工TCP/IP傳輸協(xié)議，波長(zhǎng)為1310nm的單模光纖；2） 傳輸速率：1000Mbps；3） 采用模塊化結(jié)構(gòu)，配置2個(gè)千兆光口，1個(gè)千兆電口，7個(gè)10/100M電;以太網(wǎng)電信號(hào)接口：1） 傳輸距離：RJ45接口傳輸距離：100m（使用礦用阻燃通信網(wǎng)線）；2） 11個(gè)10/100Mbps自適應(yīng)RJ45口；3） 傳輸方式：全雙工TCP/IP傳輸協(xié)議；RS485接口：1） 信號(hào)工作電流峰值：W50mA；2） 傳輸距離：5000m使用礦用阻燃屏蔽通信電纜；3） 提供4以太網(wǎng)轉(zhuǎn)485總線轉(zhuǎn)換器；4） 傳輸方式：半雙工RS485信號(hào)，雙極性；核心交換機(jī)（PT—7828—R—HV）1） 提供SNMPV1/V2c/V3，可進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)層級(jí)間的安全管理；2） 支持ABC-01（自動(dòng)備份設(shè)定工具），更易于置換故障設(shè)備；3） 帶寬管理功能可以防止不可預(yù)料的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；4） 端口鎖定讓只有特定MAC地址可進(jìn)行訪問；5） 端口鏡像功能提供在線調(diào)試；6） 通過e-mail、繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警；結(jié)束語雖然就目前的應(yīng)用而言，工業(yè)以太網(wǎng)還不適合所有的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，并不能全面地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，且由于各大生產(chǎn)廠商的應(yīng)用層協(xié)議的