张建明

（河钢股份有限公司承德分公司 河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067000）

信息技术的快速发展推动了自动化技术的变革，逐渐形成了集成网络的自动化工业信息系统。为了更好地推动工业自动化领域发展，以太网的运用不应局限在工业生产的现场管理和控制，需要电气技术人员加强研发以太网工业自动化系统，提升以太网的实时性、确定性和稳定，确保研发行业的高端产品。因此，掌握以太网在工业自动化领域的应用及研究尤为重要。

1 工业以太网概述

1.1 工业互联网的业务需求分析

工业Internet 可以从工业和Internet 角度分析业务需求。从工业的角度来看，工业互联网主要是从生产系统到业务系统的智能化，从内部和外部来看，生产系统本身都使用信息通信技术来实现，机器和系统之间的实时性，与企业之间进行智能连接和交互，并促进业务活动的优化。它的业务需求包括针对工业系统各个层面的优化，例如感知，实时监控，精确控制，数据集成，运营优化，供应链协作，需求匹配和服务增值。从Internet 的角度来看，工业Internet 的主要代表是业务系统转型对生产系统的智能化。对于内部和外部，新的Internet 模型和市场营销，服务和设计中的新业务形式将生产组织和生产模型的智能转换联系在一起。他的业务需求包括基于Internet 平台的准确营销、个性化、智能服务、协同设计、协同制造、柔性制造等。基于以上业务需求，可把工业互联网的生产要素具体化为数据采集、数据实时上传、数据分析、个性定制、联网设计、精确控制、柔性制造等。这些要素对网络提出了更高要求，包括支持海量数据连接、毫秒级低时延、Gbps级传送速率、灵活柔性的组网模式、低功耗等。对于工厂外高速采集类业务，还要求支持高移动接入能力（500km/h）等。

1.2 工业以太网类型

工业以太网与普通的商用以太网兼容，但是在产品设计，材料选择，产品强度，适用性和实用性方面可以满足工业现场的需求。根据不同的实现方法，工业以太网可以分为三种类型：一种是通用的硬件标准TCP/IP 类型（以Ethernet/IP，ModBus/TCP等表示），另一种是通用的硬件定制时间数据传输协议类型（由EPA，ProfinetRT 等表示），第三种是自定义硬件实时数据传输协议类型（由EtherCAT，ProfinetIRT 等表示）。第一类与通用专用以太网，成本低廉，易于实现，但仅适用于实时性要求较低的工业过程自动化应用；第二类使用通用以太网控制器，但引入了特殊的实时数据传输协议用于传输的以太网帧可以实现更高的实时性能，这种结构在读取以太网时受到实时层的限制；第三种类型基于第二种类型，底部使用专有的以太网控制器。实现实时通信控制，其优缺点十分明显，优点是实时性强，缺点是成本高。

图1 工业以太网传输过程

2 以太网技术在工业自动化领域的优缺点

2.1 优势

以太网通讯具有良好的兼容性，而且传输速度较其它网络速度较快，并且易于安装，功率低，使用过程中稳定可靠。以太网和Internet 之间的连接非常简单，它对企业的生产力和营销带来了重大变化。

2.2 缺陷

以太网是根据局域网设计的，在其他网络上没有应用层协议。因此，可以说以太网是一个相对不完整的网络协议。以太网的信道分配方法不可靠，不适用于某些需要大量实时请求的情况。缺乏优先系统，电缆不够长，并且在提高速度的同时会降低效率。当负载很重时，会出现一些冲突，这极大地影响了信息流。以太网最初是为办公系统创建的。尽管其良好的性能已用于工业系统中，但仍然很难适应恶劣的工业环境。

3 工业自动化领域中以太网的运用发展与研究

3.1 强化自动化系统的控制、组态和数据采集工作

在工业自动化领域的拓展和延伸方面，为了能够更好地实现工业的自动化，并发挥出工业自动化的优势和价值，运用以太网的技术来强化工业自动化系统的控制功能、组态功能和数据采集功能，逐步实现设备之间的数据交换，对传输任务的网络进行控制，设定优先级和中断功能，并实现对数据的自动化采集，这样有利于工业自动化数据的具体分析、预测发展趋势，做好诊断故障和维护工作，充分发挥出以太网高速、廉价的优势和特点，不断丰富工业自动化领域的发展内容，提升工业自动化发展水平。

3.2 强化以太网的实时性和确定性

尽管以太网已广泛用于工业自动化领域，并在工业自动化领域中发挥着重要的作用。但是以太网在不断变化发展的计算机通信网络环境中更好地构建和完善局域网，必须要强化对以太网的实时性和确定性。通过运用交换技术，构建一个以交换机为媒介的以太网系统，实现对数据包的有效安排，明确发送顺序，通过运用系统点对点的模式来实现数据的发送，这样不会造成碰撞的问题发生，能够促进网络稳定性和安全性的有效提高。与此同时，以太网的交换器能够支持多端的网络通信，能够连接不同速率的网络，具有极佳的相容性，使得以太网的实时性得到更好地提高。

3.3 无线网络助力工业互联网发展

随着制造业不断发展，工业网络需要适配多样化场景，无线技术成为工业互联网重要发展方向。与现有的有线网络相比，无线技术具有明显的优势：首先，它大大降低了网络建设和维护的成本：无线网络可以快速部署，而无需在现场环境中铺设电缆和相关保护设备；无线技术的使用将大大降低测控系统的安装和维护成本。二是提高生产线的灵活性：无线技术实现了现场设备的移动性，提高了生产设备部署的灵活性。用户可以根据工业生产和应用需求快速实现生产线的改造，为实现柔性生产线打下技术基础。第三是可以实现的部署环境的广泛性：无线技术突破了电缆部署限制，具有多种网络部署架构，可以在各种工业场景中实现快速部署。

3.4 打造5G网络的工业互联网

5G 可以提供高效率、高质量、低成本的网络连接，完美契合了工业互联网的组网要求。权威研究机构IHS 发布的研究报告显示，2035 年，5G 使能的工业制造空间将高达3.4 亿美元。在钢铁企业中，5G 网络能灵活支撑智能制造的多种业务场景，包括机械臂协同控制所需要的毫秒级低时延（LTE 理论时延在10ms 级，实际现网时延多在30ms ～60ms）、先进的生产辅助AR（增强现实）系统所需的超高带宽、大规模流水线生产所需的海量机器连接，在2019 年上海MWC（世界移动通信大会）期间，中国移动和华为、ABB 共同开发的机械臂检修整车用于展示超低时延切片在工业制造中的应用，该切片基于对接入、传输、核心网的域内域间编排控制技术、边缘计算（MEC）部署来达到毫秒级时延保障，最低可达1ms，因此5G 网络将成为未来钢铁企业发展的主流网络。

4 结语

综上所述，在科学信息技术不断发展的前提下，以太网的发展速度也在不断加快，并在工业自动化领域中得到了广泛的运用。以太网具有易于与Internet 连接、与计算机发展速度和水平相适应的发展优势，在工业自动化领域中发挥着积极地作用和价值。钢铁企业的技术人员要重视对以太网的有效运用，结合企业自身的发展需要和要求，充分融合和运用以太网的多项优势，提升工业现场的自动化和智能化水平。