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生產規模的擴大和復雜程度的提高推動著現場總線和現場總線控制系統的發展。從20世紀六七十年代的模擬儀表控制系統，到七八十年代的集中式數字控制系統，到八、九十年代的集散控制系統（DCS），再到近些年的現場總線控制系統（FCS）。目前已開發出有40多種現場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks。 這些紛繁復雜的現場總線在提高系統工業控制系統的性能和自動化程度的同時，也讓用戶陷入如何選擇現場總線、如何延長系統壽命、如何保護已有投資和如何與上層的辦公自動化網絡連接的困惑當中。 敬請瀏覽EDN China網站的工業電子技術頻道(http://www.ednchina.com/TechClass/Industry/)，獲取更多有關工業以太網芯片、控制器、附件等產品的信息，并至工業電子論壇(http://bbs.ednchina.com/ShowForum.aspx?id=26)，與讀者、網友和技術專家共同交流探討。 工業以太網的推出，有助于解決上述問題。工業以太網在技術上與商用以太網(IEEE802.3標準)兼容，但材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業現場的需要。工業以太網技術的優點表現在：以太網技術應用廣泛，得到所有的編程語言的支持；軟硬件資源豐富；易于與Internet連接，實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接；可持續發展的空間大等等。 隨著以太網設備（集線器、交換機、收發器等）的價格降低（每年約下降10%"15%），越來越多的用戶、廠商、集成商在使用帶以太網接口的產品。IEC已經通過了14種推薦的工業以太網標準。用戶可以按照自己的要求，選擇不同的以太網協議和相關的產品，而且不同的以太網產品可以在同一個以太網上共存。 相對于傳統的商用網絡，工業以太網要解決要解決以下主要問題：環境適應性、可靠性、本質安全與安全防爆、便于安裝。 典型的工業以太網采用冗余以太網光纖環路架構。主要產品有集線器、傳輸介質轉換模塊（光電轉換）、以太網交換機（管理型和非管理型），以及連接器、電纜光纜等。 紛亂的標準與一網到底 以太網并不是為實時應用而設計的，這是它的先天缺陷。以太網由于采用CSMA/CD的介質訪問控制機制，而具有通信不確定性的特點，并一度成為它應用于現場總線的主要障礙。因此，僅僅通過采取一些措施，提高以太網設備應用的可靠性和環境適應性，工業以太網仍然沒有能夠解決通信實時性問題。 工業以太網技術的不足還在于：缺乏統一的工業以太網硬件標準，在線纜，接插件等方面均無統一標準；沒有統一的工控的應用層協議，由于以太網技術規范只定義了物理層和數據鏈路層，在其上的網絡層和傳輸層協議，目前以TCP/IP協議為主。 為此，各大公司都在研究基于以太網的通信確定性和實時性問題，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通過了工業現場的實際應用驗證。 目前現場總線體系中，基于以太網的通信協議除了現場總線應用行規國際標準IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，還包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等標準。 眾多的標準使最終用戶“一網到底”的愿望還只能是愿望，而且工廠網絡各層之間的連接往往通過采用PC、PLC或其他專用設備作為網關加以實現，而這些網關造成了同質網絡之間的相互隔離。 替代性的解決辦法是可以指定惟一一種標準協議，在此基礎上實現一網到底；二是做到實時域與非實時域的隔離。為了保證實時域與非實時域之間、一個實時域和另一個實時域之間不相互干擾，必須對實時域與非實時域進行隔離。比如一個PowerLINK的實時網絡在連接到上一級網絡時必須采用EPL網關，這個網關對于以太網協議是透明的，只是將實時報文和同步信息限制在實時域中；三是在工業網絡與企業網絡之間、在有線網絡和無線網絡之間、企業網絡和INTERNET之間采用防火墻。 以太網存在實時數據和非實時數據競爭網絡資源的情況，但是隨著以太網交換機的引入、合適的調度策略的應用，一定程度上緩解了這種現象并可能最終得到解決。對于多播問題，可采用CGMP(思科組管理協議)、IGMP Snooping(互聯網組管理協議竊聽)和GMRP(GARP多播注冊協議)來解決。 由于目前企業內傳統儀器儀表占絕大多數，一些公司已經開發出以太網接口模塊，比如研華公司的端口服務器系列如ADAM-457×/EDG-450×，可以把支持串行通信的傳統設備直接連入以太網；除了支持虛擬串口傳輸方式，還支持TCP/IP協議。 圖1，工業以太網交換機。 工業以太網產品必須與其他聯網設備集成才能真正發揮技術優勢，已經有一些廠商推出“工業聯網解決方案”，如研華公司提出了“Connect to the eWorld”以及“Ethernet links anywhere”的工業設備聯網解決方案。 工業以太網交換機和控制器 針對工業以太網應用場合，SMSC公司提供了PHY芯片LAN8700iC-AEZG和LAN8187i。這些PHY芯片的ESD等級為±15KV，可傳輸電纜長度為150米，兼容10/100Base-T，工作溫度范圍-40"+85℃，集成的1.8V"3.3V穩壓器可實現單電源工作，flexPWR技術用于功率管理，根據IEEE 802.3ab標準提供HP Auto-MDIX功能，自動極性檢測，支持自動協商和并行檢測（圖2）。 圖2，PHY芯片LAN8700iC-AEZG的功能框圖。 SMSC公司的交換機芯片有LAN9313i和LAN9311i。(LAN9313i是三端口工業級以太網交換芯片，LAN9311i是雙端口芯片，具有IEEE 1588硬件時間戳單元，非常適合小型工業應用場合，工作溫度范圍-40℃～+85℃。可通過SPI/I2C或SMI接口進行管理，獨特的虛擬PHY功能將多個端口模仿成一個端口，提供QoS包優先級、速率限制、IGMP Snooping和管理功能。 Micrel的解決方案包括PHY芯片KSZ8721Bi和KSZ8721BLi，此兩款芯片均為10/100 BASE-TX/FX工業級PHY芯片，提供LED指示輸出。KSZ 8993MLI是3端口10/100 BASE-T工業級非網管型交換芯片，KSZ 8893FQ/MB/MQi這三款芯片均為3端口10/100BASE-T工業級網管交換芯片。 和商用以太網交換機類似，工業以太網交換機也分為網管型和非網管型，且多為二層交換機。工業以太網交換機硬件主要由接口、交換和控制模塊組成，目前有多種實現方案。交換模塊主要由PHY和交換芯片組成（也有集成了PHY和交換芯片在一起的），控制模塊通常由主控處理芯片以及外圍電路組成，也有FPGA廠商提供一些ASIC/ASSP以優化和提高工業交換機的靈活性。典型的應用框圖如圖1。 MCF5223x系列68K/ColdFire器件是單芯片解決方案，可以提供32位控制和以太網接口。223x將10/100快速以太網控制器（FEC）和以太網物理層（PHY）與V2 ColdFire內核整合到了一起，以合理的價格實現了出色的性能。MCF5223x系列整合了標準68K/ColdFire外設，包括：三個通用異步接收器/發射器（UART），用于實現中/長距離連接；一個I2C和隊列SPI，用于實現與連接外設的系統通信。 在工業以太網交換機中采用主控處理器可以實現更為復雜的協議控制等功能。針對相對簡單和低端的應用，可以采用Atmel基于ARM9系列的AT91SAM9xx系列，以及Freescale基于Coldfire的MCF5223x系列，均有多款工作溫度范圍為-40 " +85℃的芯片。 針對更為復雜控制處理功能，可以使用Freescale基于Power PC的MPC7XX和MPC8XX，這是工業級高性能網絡處理的典型處理器。以上方案全部采用工業級芯片，端口配置適中，軟硬件設計方案和技術支持比較成熟，性價比較高。 工業以太網PoE功能實現 在工業以太網中附加PoE功能更能突顯PoE技術的優勢。一個完整的PoE供電系統包括PSE（Power sourcing equipment 和PD（Powered Device)兩部分。PSE是為PD端供電的設備，同時也是整個PoE以太網供電過程的管理者，而PD設備則是接受PSE供電的負載。在PoE系統中，PSE首先會檢測PD終端是否為一個支持IEEE 802.3af或者IEEE802.3at標準的受電設備，然后對其進行優先級分類；在供電過程中，PSE會先向PD提供一個小電壓，然后逐步提升到48V的穩定直流電；當PD從網絡上斷開或遇到PD設備過載、短路、超過PSE的供電負荷時，PSE會斷開電源并再次啟動檢測過程。PD通過自己的接口控制電路和DC-DC轉換電路將PSE 提供的電源轉換成PD設備所需的電源。圖3是一個POE系統的典型框圖，客戶可以根據需要決定采用數據對還是空閑對傳送。 圖3，PoE系統實現框圖。 PD控制器可采用National Semiconductor的LM5072MH-50和LM5072MH-80、TI公司的TPS23754、Maxim公司的MAX5941AESE+T、MAX5942AESE+T和MAX5942BESE+T。 目前，各主流芯片廠商如TI、Linear Technology、NationalSemiconductor、ONSemi、MAXIM都可以提供工業級PoE 解決方案。 PSE控制器可采用TI公司的TPS23841PJD和TPS23841PAP、MAXIM公司的MAX5952AEAX+和MAX5952CEAX+。 工業以太網附件 附件是指工業以太網構架中使用的連接器，光纜電纜和變壓器。工業以太網附件具有其獨特特性和制造工藝，需要滿足對環境適應性、可靠性和安全防爆的要求。 在辦公室中，RJ45、Cat 5e/6連接器、交換機和UTP電纜可滿足使用要求。在工業環境中進行布線和連接時，標準RJ45插座和插頭不能適應車間的惡劣環境：高溫、強烈的振動條件、感應磁噪聲、水洗過程、油污、污染物和很多其它條件。但是對于銅介質，RJ45接口仍然是以太網物理層設計的標準。 工業以太網解決方案包括工業以太網RJ45隔艙式連接器、轉接線和不銹鋼面板。隔艙式連接器符合針對以太網/TP的ODVA（Open Devicenet Vendor Association，開放設備網絡供應商協會）規范等標準，如ODVA的CIP—— 針對工業以太網的通用工業協議，隔艙式連接器具有IP67級別。 工業級電纜也是非常重要的一部分。由于油和溫度分級，標準單股或多股UTP電纜的外套的外徑比現場端接的或長度有限的轉接線更大。下面介紹幾款典型產品。 EPCOS公司的以太網變壓器B78476A8248A003可在-40℃"+85℃溫度范圍內工作，隔離電壓為1500V，提供單、雙和四端口方案，可用于10/100 Base-T和1000 Base-T以太網，在10/100 Base-T網絡中可提供PoE功能，符合IPC/JEDEC J-STD-020C規范和RoHS指令，對所有主要的收發器進行了優化。B78476A8252A003是用于1000 Base-T的變壓器，特性與B78476A8248A003基本相同，不支持PoE功能。B78476A8247A003可用于10/100 Base-T以太網，不支持PoE功能。 對以太網RJ45密封連接器，可選用Tyco公司的1776186-1，包括迷你型圓形外殼和RJ-45插座，可插拔250次，額定電流/電壓為1.5A/125Vdc，滿足IP67的密封性要求。110穿孔和防水通過型是5e類，直接PCB安裝插座符合5類要求。 Amphenol公司的RJ45密封連接器RJF21B具有防塵和防水特性，防護等級達到IP67，能耐受振動、沖擊和拉扯。在現場安裝時不需要穿線，也不用使用任何工具。 Bulgin公司同時也提供以太網密封電纜，可選用PX0837/2M00、PX0837/3M00和PX0837/5M00。這些電纜可耐受油和陽光、溫度變化、磨損與變形、EMI/RFI。 工業以太網所用到的器件大多是工業級的，而且批量小。小批量電子分銷商能夠提供更好的服務，如派睿電子，他們正在擴展其“360°設計整合采購方案”，針對工業以太網產品設計提供全方位的芯片、配件解決方案和技術支持，可為用戶提供一站式、翌日到貨服務。 |
