[实用新型]一种基于工业以太网的数据传输装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及工业以太网控制技术，具体地，涉及一种基于工业以太网的数据传输装置。

背景技术

目前，网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的控制网络技术，是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术；因此，自动化市场上以太网技术的产品层出不群，比如工业交换机、工业路由器与工业服务器等一些网络设备。

在技术上，工业以太网是基于屏蔽同轴电缆与双绞电缆而建立的电气网络，或基于光纤电缆的光网络；工业以太网与IEEE802.3标准兼容，使用开放系统互联（OSI）参考模型和传输控制协议/因特网互联协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，简称TCP/IP）通讯协议。作为Modbus/RTU协议的扩展，Modbus/TCP协议定义了运用TCP/IP网络的传输与应用协议，具有更高的灵活性和实用的广泛性。

一般地，大多数自动化PLC产品都提供入网功能，由于TCP/IP协议栈是开源的，因此很多入网产品多采用嵌入TCP/IP方式实现。其中，LWIP是最广泛用于嵌入系统的开放源代码TCP/IP协议栈，LWIP的含义是轻松（Light Weight）IP协议，相对uip；LWIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LWIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使Lwip协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。Lwip协议栈支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议，包括实验性扩展的UDP、阻塞控制、RTT估算、快速恢复和快速转发的TCP，提供专门的内部调用接口用于提高应用程序性能，并提供可选择的Berkeley接口API。这样，通过在CPU中嵌入TCP/IP协议，使用Modbus-TCP协议进行数据传输，最终实现一个工业入网产品。

另外，在现有技术中，工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性；实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。

在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十毫秒（ms）内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的，而且一旦出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。

传统的以太网在设计之初并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的恶劣的工况，严重的线间干扰以及机械、气候、尘埃等条件的恶劣，而且以太网的抗电磁干扰（EMI）性能非常差，应用于危险场合时，不具备本质安全性能；因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。同时，在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性与可维护性，以保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统、甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

综上所述，在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：

⑴实时性差：以太网采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多；而解决冲突的机制是以付出时间为代价的，一旦出现掉线，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故；

⑵稳定性差：工业现场的工况较恶劣，严重的线间干扰以及机械、气候与尘埃等恶劣条件，都会影响以太网的稳定使用；而且，以太网的抗电磁干扰（EMI）性能非常差，应用于危险场合时，稳定性较差，不具备本质安全性能； 

⑶可靠性差：由于以太网易受工业现场的环境及EMI影响，稳定性较差，可靠性也无保障。

发明内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于工业以太网的数据传输装置，以实现实时性好、稳定性好与可靠性好的优点。