关于工业以太网还有什么可说的?

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据报道，以太网信号比RS-232更好
因为它不太容易受到电噪音的影响。

在以太网中，统一的8位帧大小可以防止未被检测到的碰撞。

每个人都在谈论天气和工业以太网，但没有人对此采取任何行动。现在不是了。虽然查尔斯·d·华纳和马克·吐温的名言仍然适用于气象学，但工业以太网正在工厂车间从想法走向现实。

不断增加的硬件、软件和相关解决方案为以太网进入制造业网络提供了动力，而新的布线、连接器和相关产品正在为工业环境中基于办公室的以太网提供服务。同样地，以前不同的标准正在围绕实现以太网的通用方法进行整合，这一趋势可能会提供大量的网络互操作性——至少在第7层或应用层以下——这是以前多年的现场总线争论未能产生的。

然而，尽管有这样的好消息，重大障碍仍然存在。除了用户的不情愿和缺乏经验(更不用说历史上未经加固的基于办公室的设备)，以越来越快的速度运行以太网使其更容易受到数据流量瓶颈、碰撞和其他问题的影响。这部分是因为以太网的胆量是基于载波侦听多址访问/碰撞检测(CSMA/CD)的，这是一种基于竞争的访问方法，要求以太网节点在网络上发送消息之前监听。

而且，尽管最近在标准化方面做出了努力，用户仍然必须注意并承担研究、指定、安装、配置和维护其工业以太网的大部分责任。罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation)负责核心网络物理层的项目工程师鲍勃•伦斯伯里(Bob Lounsbury)说，每个人都在谈论在工厂车间安装以太网，但大多数人真的没有想过如何实际实现它，或者根本就忽略了它。由于以太网的现成成本优势，它有很大的推动作用，但要说服工程师采用这种办公网络并将其置于高噪声、高振动和高温环境中，然后期望它能完美工作，这是一场艰苦的战斗。

“以太网已经以10mbps的速度进入工业信息和通信网络，但这些应用可能会有点草率，因为它们通常不是时间紧迫的。例如，如果更新数据收集、监控或其他数据网络需要500 msec，那么它甚至不会被注意到。然而，在控制网络中出现这样的故障可能会关闭机器和关键应用程序，例如在造纸机械中保持适当张力的电机控制回路。实现以太网的愿望非常强烈，它将会实现，但需要一些时间。

目标，优先事项，教育

在评估现有网络并确定工业以太网是否能够帮助满足当前和未来的业务目标之后，用户必须评估并找到在其特定应用中使用以太网的最合适类型、数量和方法。

用户必须优先考虑每个以太网项目的目标。Phoenix Contact(宾夕法尼亚州哈里斯堡)自动化系统业务发展经理拉里•科马雷克(Larry Komarek)说，他们必须权衡自己需要多少网络或互联网连接，以及需要多少吞吐量。“以太网的基础设施组件即将上市，因此用户必须确定他们需要多少强化、诊断和速度。他们还必须考虑辅助设备的成本。”

为了教授工程师如何应用工业以太网，一些组织、公司和集成商已经推出了培训计划。

仪器仪表，系统和自动化(ISA)协会(研究三角园，北卡罗来纳州)通过其ISA培训学院在全国范围内举办了几门课程，由Eric Byres，体育，研究团队负责人，先进信息技术集团，不列颠哥伦比亚理工学院(BCIT，温哥华，b.c.，加拿大)。

现场总线基金会(奥斯汀，德克萨斯州)在其总部和南阿尔伯塔理工学院(SAIT，卡尔加里，阿尔伯塔，加拿大)的一个新实验室提供培训和组件测试。此外，施耐德电气自动化公司(北安多弗，马萨诸塞州)最近在密歇根大学(安娜堡，密歇根州)开设了一个以太网一致性实验室。

工业以太网的物理布局有所帮助
降低噪声，帮助网络承受电压瞬变

适当的设计

与任何网络类似，以太网的适当设计也是必不可少的。例如，试图通过小型网络控制大型流程或工厂可能会产生大量瓶颈和潜在的安全问题。朗斯伯里说，更好的设计是把大部分控制工作分配给一个独立的工作单元，只把需要的数据传回控制室。同样，他补充说，合理的工业以太网设计应该包括以下元素:

• 开关，而不是集线器。以太网交换机提供虚拟连接，有助于确定性，并将网络流量保持在最小值，这比将数据重复到所有网络点的集线器更好;

• 分布式控制。这种类型的基于交换机的系统使用蜂窝架构来构建网络来执行不同的任务;

• 工厂层和办公网络之间的安全隔离。使用防火墙有助于使一般流量远离控制网络;而且

• 适用于环境的电缆、连接器和设备。在将典型的RJ45连接器部署到工厂车间之前，需要业界进行彻底的研究和测试。并非所有的以太网RJ45连接器都是相同的。有些无法承受震动，大多数也不适合工业环境。

标准，追求一致性

以太网的主要优势，其历史上的普及，可能是一个障碍，因为它迁移到工厂车间。有如此多的以太网版本、风格、规范和不同的解决方案，以至于互操作性几乎是不可能的。

他说，如今工业以太网缺少的是一致的设计标准或策略。许多开发人员构建并了解他们自己的解决方案，但我们需要关于如何设计适当的工业以太网的公开标准。现在这些都完全缺乏。”工业以太网设计标准应该包括电信工业协会/电气工业协会(TIA/EIA)现有的568和569电缆标准，以获得最佳的以太网性能、维护、升级和安全性。事实上，TIA/EIA的569委员会的TR 42.9工作组正在寻求修改568以满足工业要求。”

好的设计，标准

几个标准项目正在进行中，包括工业自动化开放网络联盟(IAONA)的滚雪球式努力。[参见本期市场更新文章。拜尔斯说，尽管这些努力不太可能在以太网应用层达成协议，但标准化在其他层是有可能实现的。

它不会像我们经历的现场总线大战那样糟糕。因为如果所有人都能在以太网上达成一致，就可以在同一条电缆上同时运行一致的设计和布线标准。”他说，我们可能不会赢得完全互操作的整场战争，但我们将赢得大部分战斗，并能够愉快地共存。他补充说，通用的布线、连接器和寻址方案将导致一致的冗余，也许在两到三年内会出现通用的编程工具集。

速度=脆弱性

朗斯伯里解释说，为了提供100mbps的以太网，开发人员必须降低振幅，并使用称为MLT3位编码的第三种信令方法对数据进行编码。本来就很低的振幅电压被分成三个不同的电平，这使得它运行得更快，同时减少辐射辐射。伦斯伯里说:“然而，这也意味着，电流噪声爆发只要达到之前全电压水平的三分之一，就可以破坏数据。”“控制用户需要100mbps以太网的低周转时间，但在这种速度下位宽只有8 nsec。所以，只需要很短的噪声爆发就能破坏整个数据包。”

用户还必须谨慎，因为虽然100mbps允许确定性，但产品中一些启用以太网的传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)栈并没有优化到允许这种确定性。“典型的以太网交换机和路由器是为以不规则模式传输大数据包而优化的，而不是以恒定的、确定的模式，”Nick Jones说，他是SST(加拿大安大略省滑铁卢)的工作人员。仅仅因为交换机支持100mbps并不意味着它支持数据速率所暗示的实时吞吐量。事实上，在遇到重大的确定性问题之前，一些交换机只能处理理论最大吞吐量的3%。”

电噪音

由于以太网组件的功能差异很大，用户必须仔细检查规格，特别是对电气噪声的抗扰性。这包括一个组件在不中断数据包和通信的情况下拒绝电噪声(通常定义为来自电源、电暴和电磁场的传导干扰)的能力。

据朗斯伯里说，要被认为是电硬化的，网络组件必须具有较高的共模抑制。以太网通常是一种差分通信系统，使用两根线来传输数据，两根线来接收数据。它们被配置为双绞线，可以是非屏蔽的，也可以是屏蔽的。差分信号有助于提高对电噪声的免疫力。他说:“我们发现，网络接口卡(NIC)的布线和磁性的高模式抑制可以进一步提高性能并降低噪音。”

硬件是路径

为了在高振动、高电噪声、高温和频繁腐蚀的环境中取得成功，基于以太网的网络还必须使用适合这些环境的组件。

朗斯伯里说，在共模噪声环境中，由于电缆或网络结构不佳而导致的任何不平衡都将转化为差分噪声，从而导致更高的错误率。

来自多个领域的制造商正在寻求解决这些问题。许多公司正在密封传统的以太网电缆和连接器;其他公司则在为传统网络应用构建网关解决方案;一些公司正在设计基于pc的解决方案和芯片设备;还有一些公司正在采用不那么密切相关的技术:

• 罗克韦尔自动化(Mayfield Heights, O.)第三套Allen-Bradley产品采用EtherNet/IP规范，包括ControlLogix、ProcessLogix、Flex I/O和PanelView系列的100mbps产品。它们将为用户提高基于以太网的控制应用程序的性能和带宽，包括时间关键型应用程序，如I/O设备和点对点联锁。

• JetLab来自Jetter USA Inc. (Broadview Heights, O.)，是一个基于JetWeb控制网络组件的工具箱，允许用户构建软件对象，通过以太网和Jetter的单一逻辑数据库在机器和控制器之间传递数据。

• Woodhead Connectivity公司正在申请专利的RJ-Lnxx IP 67工业以太网电缆和连接器将迷你外形与标准RJ-45技术相结合，以密封污染物，防止振动和断开。RJ-Lnxx连接器兼容10Base-T和100Base-TX系统，可与商用RJ-45或工业以太网组件一起使用。紧身衣由5类电缆组成。

• 传统上用于传感器的基于引脚的螺纹耦合M12连接器最近被隆伯格公司(Lumberg Inc.)改造为帮助工厂车间的以太网。隆堡的“etherMate互连系统”可以根据10Base-T和100Base-T规格在屏蔽和非屏蔽电缆上进行通信，其主要部件包括RJ45-M12隔板插座;ICAT5e编织屏蔽电缆;和PUR模压M12连接器绳套UTP和ScTP连接。

• SST的NetGateway是一款无头无移动部件的计算机，使用200 MHz StrongARM处理器，两个以太网和四个串行端口，支持两个PC/104接口卡。NetGateway帮助用户从办公室设置访问工厂车间流程，同时仍然保持这些网络独立。

• InterlinkBT (Minneapolis, Minn.)的快速以太网交换机提供8个快速10/ 100mbps以太网端口;在路由表中管理多达1,000个媒体访问控制(MAC)地址;支持面向存储的交换架构;并具有IP 67级连接器。

• 想要节省PXI底盘插槽的用户可以使用美国国家仪器公司(National Instruments)的产品。PXI-8212 GPIB和用于PXI/CompactPCI的快速以太网接口。其基于英特尔的以太网控制器芯片兼容10Base-T和100Base-TX网络。

• 现场总线以太网耦合器从Wago (Germantown，威斯康星州)使用施耐德电气自动化的Modbus以太网协议;使用超文本传输协议(HTTP)访问节点，并使用' boot-p '对其进行配置;并连接到Wago I/O系统。

• Opto22 (Temecula, Calif.) Snap以太网I/O系统能够使用TCP/IP套件在以太网物理层上允许的多个会话，同时与多个设备进行不同协议的通信。

• 用于连接远程设备和以太网网络，Hirschmann自动化网络解决方案集团(Pine Brook，新泽西州)的RT1-TP/FL (10Base-X)和RT2-TX/FX (100Base-X)轨道收发器有一个双绞线和一个光纤端口，可用于连接到40公里以外的设备。

达到了

在未来，更多的以太网交换机和基于芯片的解决方案可能会变得足够快速和便宜，以实现设备级的广泛以太网访问，而不是通过网关向以太网报告的经典I/O集群。

此外，尽管以太网还不是本质安全的，ISA的MLT委员会正在研究如何开发用于以太网网络的本质安全光纤电缆。

马萨诸塞州集成通信技术(Integrated Communication technologies)总裁、IAONA董事会成员马克•方德尔(Mark Fondl)说，以太网TCP/IP向现场总线级别的主流转变可能还需要两到五年的时间，克服以太网的连接器和价格问题达到设备级别也需要大约五年的时间。

了解更多供应商，请访问www.controleng。com/buyersguide;欲了解更多信息，请使用以下圈号，网址为www.globalelove.com/freeinfo。自动导航

不列颠哥伦比亚理工学院www.bcit.ca238

现场总线基金会。239年www.fieldbus.org

FieldServer技术。240年www.fieldserver.com

Hirschmann。242年www.hirschmann-usa.com

InterlinkBT。243年www.interlinkbt.com

美国杰特。244年www.jetweb-technology.com

光尔格。245年www.lumbergusa.com

国家仪器。www.ni.com246

Opto22。www.opto22.com247

菲尼克斯。248年www.phoenixcon.com

QSI。www.qsicorp.com249

罗克韦尔自动化www.automation.rockwell.com 250

施耐德电气自动化www.schneiderautomation.com 251

西门子能源与自动化www.sea.siemens.com 252

南阿尔伯塔理工学院www.sait.ab.ca 253

风场。www.mysst.com254

VMIC。255年www.vmic.com

Wago。256年www.wago.com

Woodhead Connectivity www.woodheadconnectivity.com 257

以太网，OSM保持聚酯，聚丙烯工艺运行

当收发器出现故障并关闭Reemay Inc. (Reemay Inc.，田纳西州)的旧网络时，它的机器还在运行，但运营商无法做出任何改变或生产其他产品。利美生产无纺布、纺粘、聚酯和聚丙烯产品，如家庭包装、地毯衬垫、织物柔顺剂片、家具和航空航天建筑组件、服装衬布、作物覆盖物、空气过滤器和其他产品。

为了防止网络崩溃，导致每小时1.5万美元的停机时间，以及凌晨3点的电话召唤他到工厂，负责工程师George Reed选择了西门子能源与自动化公司(Alpharetta, Ga.)的工业以太网光交换模块(OSM)。OSM提供网络冗余，并在交换机通信时通知所有网络组件。

现在，当网络断行发生时，OSM的冗余管理器继续运行网络。OSM还通过电子邮件通知Reed先生该管理器已被激活，同时允许Reemay的运营商继续运行其流程。

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