揭秘Can通信协议与应用工业以太网的双重威力

以太网(Ethernet)技术支持着无所不包的网络协议,因此在数据信息网络中得到了广泛应用,具有传输速度快、能耗低、便于安装兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势。随着网络技术的发展和工业控制领域对网络功能要求不断提高,以太网正逐步进入工业控制领域,形成了新的以太网控制网络技术。工业以太网的开放性使得工业控制网络与企业信息网络之间实现无缝整合,具有不可比拟的优势。

以太网由于其高传输速度、高效能、易于安装以及良好的兼容性而被广泛应用于商业系统。近年来,以太网进一步融入了工业自动化领域,并形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是因为现代工业自动化系统向分布式智能化方向发展,对开放透明且可靠的通信协议提出了更高要求。

将以太网技术引入到工业控制中,其优势显而易见:1. 以太网是一个完全开放和数字化的人工智能世界,它遵循标准化协议,使得不同厂商设备能够轻松连接;2. 以太网可以实现无缝连接,从而构建企业级全面的管控一体化,如图2所示;3. 硬件成本低廉,因为现有的软硬件已成熟,有多种软件开发环境和硬件设备供选择;4. 通信速率高速,可满足企业信息系统快速增长和复杂程度提升带来的需求,即时需要音频或视频数据传输,现在使用的是10M/100M高速以太网,千兆以 太 网 技 术 也 正 在 发 展,其速率远超现场总线;5 可持续发展潜力大,在瞬息万变的信息时代,企业生存与发展将依赖一个快速有效通讯管理体系,这保证了以 太 网 技 术 不 断 前 进。

然而,将以 太 网 技 术 引 入 工 业 控 制 领 域 同 时 也 面临 一些挑战,其中最重要的是:1 实时性问题,由于采用CSMA/CD介质访问方法,它无法提供绝对实时性能,一条总线上许多节点平等竞争总线资源,这种方式难以为满足高度实时性的 industrial control 需求,这也是它进入工控范畴的一个技能瓶颈;2 对抗干扰能力及可靠性,以 太 网 是为办公室设计,所以需要抗干扰能力强,更适应恶劣环境外观设计等符合 industrialsite 的要求;3 应用层协议适用情况,由于当前行业标准中的应用层协议特征并不适用于 industrial process control 环境间实时通讯;4 安全问题,不仅要考虑物理安全,还要防止病毒攻击、黑客入侵等非法操作;5 QOS(Quality of Service)问题,在 factory automation 中信号不再局限于数字模拟量,而是包含 Audio 及低分辨率 Video 信号,为此需要根据不同用户需求及内容调整服务质量。

随着科技进步,上述问题已经得到部分解决或改善。最近几年出现了一种快速交换式Ethernet technology,可以通过全双工通信避免CSMA/CD中的冲突,并实现优先级机制,加强实时功能。此外,对抗干扰措施也越来越完善,以及在应用层协议方面,可以根据实际情况增减TCP/IP栈并制定更加符合 industrial requirement 的新标准。此外,还有专门针对 industrial environment 设计的小巧坚固但加密安全有保障之类物品。在处理 network security 时,也采取包括用户密码加密防火墙等多重安全措施。但对于 Industrial Automation Network Security 的具体方案仍需深入研究。而随着 network speed 提升与 protocol 完善度提高,QoS(Quality of Service)的相关问题也逐渐得到解决。

Industrial Ethernet Control System 相比单纯操控系统拥有巨大的优势,可以运用于各种 industrialscope fields。随着集成电路、industrial Ethernet 和嵌入式 Internet 技术研究深入,本基于Ethernet Technology 的 Industrial Control Network 将会迅速到来,并成为最具开创性的 Industrial Control Networking Structure。这将革新传统 Industrial Control Networks,为各个 industrialscope domains 带来新的可能。但目前看起来在某些场合如汽车操控系统或者数控机床由于作业条件恶劣且对于实时性和可靠性的极高要求,它们似乎并不适合直接采用Industrial Ethernet Technology。在未来很长一段时间内现有的 Fieldbuses 都将继续存在,最可能的情况是建立一种混合型Control System 采用不同的Networks 并存。

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