鄧尚偉

【摘要】 隨著我國工業(yè)技術的飛速發(fā)展，工業(yè)通信方式也逐漸向自動化的方向發(fā)展。而將以太網(wǎng)運用到工業(yè)生產(chǎn)中來實現(xiàn)實時通信，但其實時性的實現(xiàn)仍舊是行業(yè)內(nèi)研究的重點。本文就以太網(wǎng)運用與工業(yè)實時通信技術，結(jié)合對以太網(wǎng)通信機制和技術特點的分析進行討論，并提出一些解決方式。

【關鍵詞】 工業(yè)生產(chǎn) 以太網(wǎng) 實時通信技術 解決方案

伴隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)通信技術迅速進入到工業(yè)自動化生產(chǎn)的領域中，并在工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中發(fā)揮了技術積累與擴大發(fā)展空間的作用。但事實上，運用以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術在實時性上還存在一定的問題。下文就以太網(wǎng)的技術特點進行分析，并提出解決實時性通信的解決方案。

一、工業(yè)以太網(wǎng)的技術特點與適應性問題。

1.1以太網(wǎng)的不確定性

眾所周知，隨著通信技術的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)被廣泛運用在各種各樣的領域中。但因以太網(wǎng)使用的介質(zhì)訪問方式采用的是CSMA/CD協(xié)議，導致其表現(xiàn)出實時性不高和非確定性的特征。也就是說，帶有沖突檢測的載波在監(jiān)聽多路訪問的過程中，某一個節(jié)點想要發(fā)送報文時，會首先進行網(wǎng)絡監(jiān)聽。但當網(wǎng)絡繁忙時，則要等到空閑時才能進行監(jiān)聽，否則將會立即進行發(fā)送，而如果有兩個或者更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡處于空閑時就會同時發(fā)送報文，勢必會造成沖突。因此，當每個節(jié)點在發(fā)送報文時，還需要繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡，當發(fā)生沖突出立即停止發(fā)送并等待網(wǎng)絡重新空閑時再進行發(fā)送。此時，不但傳輸數(shù)據(jù)的時間過長，甚至還可能存在傳送不到的情況，這也充分體現(xiàn)出以太網(wǎng)通信的不確定性和非實時性。

1.2以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中的適應性問題

事實上，以太網(wǎng)不能夠提供電源，所以在實際的運用過程中需要提供額外的電纜來供電，且以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全的系統(tǒng)。前面提到，以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD協(xié)議的介質(zhì)訪問方式，該種方式不能夠完全滿足工業(yè)生產(chǎn)可控制的實時性要求，具有很高的不確定性。因以太網(wǎng)的最初設計目的是運用商業(yè)領域，傳統(tǒng)上應用在辦公室和商業(yè)用途的以太網(wǎng)能夠解決現(xiàn)場總線之間互相不兼容、不同公司的控制器之間高速實時傳輸數(shù)據(jù)的目的，但應用在自動化的工業(yè)領域，還需要解決很多適應性的問題。

二、工業(yè)以太網(wǎng)實時性的解決方案

針對以太網(wǎng)的不確定性和環(huán)境適應性問題，對于工業(yè)控制領域來說是非常棘手的問題。尤其是在直接進行測控的生產(chǎn)過程現(xiàn)場設備方面，通信的實時性是當緊急狀態(tài)發(fā)生時，進行實時傳輸以及準確傳輸?shù)谋匾獥l件，因此，我們必須針對工業(yè)以太網(wǎng)的實時性進行解決。

2.1降低網(wǎng)絡負荷以提高網(wǎng)絡傳輸速度

其實，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突概率是隨著數(shù)據(jù)通信量的增加而增長的，在網(wǎng)絡中如果沒有過多的數(shù)據(jù)通信，發(fā)生發(fā)送報文沖突的概率就會較小。而實踐證明，當通信負荷達到25以下時，一般情況下以太網(wǎng)通信可以保持暢通；如果負荷只在5左右時，可以完全避免報文發(fā)送沖突。在工業(yè)控制領域中，當網(wǎng)絡負載低于或者等于10時，有部分方案會認為這種沖突是可以避免的，但實際上這些沖突仍然在發(fā)生，盡管概率非常低，但過低的網(wǎng)絡負荷會降低實際利用的以太網(wǎng)帶寬，從而不滿足經(jīng)濟性和利用率。

2.2運用交換機提高網(wǎng)絡站點的帶寬

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)利用的是共享式的集線器，這種共享式的集線器其結(jié)構(gòu)和功能僅屬于物理層的中繼器。因此，當要將站點連接到共享式的集線器上來共享一個帶寬時，必須遵守以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問方式CSMA/CD協(xié)議來進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。而以太網(wǎng)交換機屬于一個受控上多端口的開關矩陣，此時，各個端口的數(shù)據(jù)信息流都是相互隔離的，只有同時處于同一端口上的信息流傳送才會互相產(chǎn)生沖突。也就是說，此時的每一個端口都是一個沖突域，因此可以通過網(wǎng)絡負荷來進行測算，通過交換機的原理將網(wǎng)絡進行分割。將不同的端口分割以形成多個數(shù)據(jù)通道，此時，各個端口上的數(shù)據(jù)輸入和輸出就不再受到以太網(wǎng)介質(zhì)訪問方式CSMA/CD協(xié)議的限制，從而實現(xiàn)提高網(wǎng)路各個站點帶寬的目標，然而這種方式的附加成本較高，運用在現(xiàn)場儀表時，其存儲和轉(zhuǎn)發(fā)也存在一定的延遲和不確定性，因此還有待改善。

結(jié)語：總的來說，以太網(wǎng)的發(fā)展將會逐漸迅速，將其運用于工業(yè)控制領域是近幾年來工控行業(yè)的研究焦點。隨著以太網(wǎng)產(chǎn)品和技術的不斷推廣，越來越多的技術和產(chǎn)品得到了改善，以太網(wǎng)應用在工控行業(yè)中的不確定性和非實時性還需要進行不斷的研究和解決。通過降低網(wǎng)絡負荷或者提高網(wǎng)絡傳輸速度的方式，亦或是利用以太網(wǎng)交換機來提高網(wǎng)絡中每個站點的帶寬的方式都能在一定程度上解決其不確定性和非實時性。相信在未來，以太網(wǎng)通信技術還能更好的發(fā)揮在工控行業(yè)中。

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