産業用イーサネット設計の 4 つの基本原則

産業用イーサネット技術は、その低価格、安定性と信頼性、高い通信速度、豊富なソフトウェアおよびハードウェア製品、幅広いアプリケーション、成熟したサポート技術により、最も人気のある通信ネットワークの 1 つとなっています。 近年、ネットワーク技術の発展に伴い、イーサネットが制御分野にも参入し、新しいタイプのイーサネット制御ネットワーク技術が形成されています。 これは主に、分散型およびインテリジェント制御に向けた産業オートメーション システムの開発によるものです。 オープンで透過的な通信プロトコルは避け​​られない要件です。 イーサネット技術は産業用制御の分野に導入されており、その技術的利点は非常に明白です。 産業用イーサネット製造は現在、強力な情報と高速制御を備えており、高速なシリーズと制御を実現し、「最後まで E-net」の真の意味を達成するための現代の工業製造の優れた基盤を築きました。 産業用イーサネットは、将来の制御ネットワークに最適なソリューションとして業界で検討されており、現在のフィールド バスの主流テクノロジーでもあります。 工業化の新たなリーダーが誕生しました。 産業用イーサネットの設計基準または基盤の評価は、大きく以下の 4 点に分けられます。 （1） 通信の確実性とリアルタイム性 産業用制御ネットワークが通常のデータネットワークと異なる最大の特徴は、リアルタイム性の要求を満たさなければならないことです。つまり、信号伝送は十分に高速であり、信号の確実性を満たさなければなりません。 リアルタイム制御では、多くの場合、一部の変数のデータを正確かつ定期的に更新する必要があります。 イーサネットはCSMA/CDモードを採用しているため、ネットワーク負荷が大きい場合、ネットワーク伝送の不確実性が産業用制御のリアルタイム要件を満たすことができないため、従来のイーサネット技術では、産業用制御に必要な正確なタイミング通信のリアルタイム要件を満たすことができません。制御システムであり、「非決定論的」ネットワークとみなされてきました。 産業用イーサネットは、基本的に次の措置を講じることで問題を解決しました。 高速イーサネットを使用してネットワーク帯域幅を増加させる イーサネットの通信速度は、10 および 100Mb/s から 1 および 10Gb/s に増加しました。 同じデータスループットの場合、通信速度の向上はネットワーク負荷の削減とネットワーク伝送遅延の削減を意味します。つまり、ネットワーク衝突の可能性が大幅に減少し、リアルタイム性能が向上します。 。 全二重スイッチイーサネット スイッチング技術は、元のバスベースの CSMA/CD 技術を置き換えるために使用され、複数のサイトの共有とチャネルの競合によって引き起こされる衝突を回避し、チャネル帯域幅の無駄を削減し、全二重通信を実現して帯域幅の利用率を向上させます。チャンネル。 ネットワーク負荷の軽減 産業用制御ネットワークは商用制御ネットワークとは異なります。 各ノードによって送信されるリアルタイム データの量は非常に少なく、通常は数ビットまたはバイトであり、大量のデータが突然送信されることはほとんどありません。 したがって、ネットワーク セグメント サイトの数を制限してネットワーク トラフィックを削減することにより、ネットワーク送信のリアルタイム パフォーマンスをさらに向上させることができます。 アプリケーションメッセージ優先技術 インテリジェントスイッチやハブでは、メッセージの優先順位を設計することでリアルタイム伝送が向上します。 （2） セキュリティ 工業生産の過程では、多くの現場で可燃性、爆発性、有毒ガスが避けられません。 これらの産業現場で使用されるインテリジェントデバイスや通信機器に対応して、産業現場での安全な生産を確保するには、特定の防爆技術対策を講じる必要があります。 現状の技術条件では、イーサネットシステムの耐圧防爆対策、すなわちイーサネットフィールド機器の安全性向上、気密化、カプセル化等の耐圧防爆対策を講じることにより、イーサネットフィールド機器から発生する点火エネルギーを低減することが可能である。フィールド機器の故障が漏洩することがなく、システム運用の安全性を確保します。 厳密な本質安全要件のない非危険状況では、複雑な防爆対策は無視できます。 産業システムのネットワーク セキュリティは、産業用イーサネット アプリケーションで考慮する必要があるもう 1 つのセキュリティ問題です。 産業用イーサネットは、企業の従来の 3 層ネットワーク システム、つまり情報管理層、プロセス監視層、フィールド機器層を統合できるため、データ転送速度が速くなり、リアルタイム パフォーマンスが向上します。 インターネットとシームレスに連携し、データ共有を実現し、工場の稼働効率を向上します。 しかし同時に、これは一連のネットワーク セキュリティの問題にもつながります。 産業用ネットワークは、ウイルス感染、不法侵入、ハッカーの違法操作などのネットワーク セキュリティによって脅かされる可能性があります。 一般に、ゲートウェイまたはファイアウォールを使用して産業用ネットワークを外部ネットワークから分離できます。また、権限制御やデータ暗号化などの複数のセキュリティ メカニズムを使用してネットワーク セキュリティ管理を強化することもできます。 （3） 安定性と信頼性 従来のイーサネットは産業用途向けに設計されておらず、産業現場環境への適応性が考慮されていませんでした。 産業現場の機械的、気候、粉塵、その他の条件は非常に悪いため、エンジニアリング ネットワークの著作権は管理されており、装置の産業上の信頼性に対してより高い要件が課されています。 工場環境では、産業用ネットワークは優れた信頼性、回復性、保守性を備えていなければなりません。 中断のない産業アプリケーションの分野で、極限条件下でもネットワークが安定して動作できるという問題を解決するために、米国の Synergic Microsystems、ドイツの Hirschmann、Jet AG などの企業は、レール型ハブとスイッチを特別に開発、製造しました。これらは標準の DIN レールに取り付けられ、冗長電源によって電力が供給されます。 コネクターには堅牢なDB-9構造を採用。 さらに、実際のアプリケーションでは、基幹ネットワークに光ファイバー伝送を使用し、フィールド機器の接続にシールド付きツイストペアケーブルを使用し、重要なネットワークセグメントに冗長ネットワーク技術を使用して、耐干渉能力と信頼性を向上させることができます。ネットワークの。 （4） バス電源の問題 バス電源（またはバス給電）とは、フィールド機器に接続されたケーブルがデータ信号を送信するだけでなく、フィールド機器に動作電源を供給することを意味します。 フィールド機器の電源供給には次の方法が考えられます。 現在のイーサネット標準に基づいて、物理層の技術仕様を適切に変更して、イーサネットのマンチェスタ信号を DC または低周波 AC 電源に変調する必要があります。 、フィールド デバイス側で 2 つの信号を分離します。 現在の物理層の構造は変更されませんが、接続ケーブルの空きケーブルはフィールド デバイスに電力を供給するために使用されます。