1 引言 需求的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生工業(yè)以太網(wǎng)。在大型控制系統(tǒng)中，大多采用專門為控制系統(tǒng)而設計的實時控制網(wǎng)絡，稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）。FCS是順應智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的，它的初衷是用數(shù)字通訊代替4～20mA模擬傳輸技術，但隨著現(xiàn)場總線技術與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，使FCS在控制領域內(nèi)引起了一場前所未有的革命。 在過去的十幾年間，在工廠自動化和過程自動化領域中，F(xiàn)CS是現(xiàn)場級通信系統(tǒng)中的主流解決方案。不過，隨著技術的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線越來越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一方面，隨著現(xiàn)場設備智能程度的不斷提高，控制變得越來越分散，分布在工廠各處的智能設備之間以及智能設備和工廠控制層之間需要連續(xù)地交換控制數(shù)據(jù)，這使得現(xiàn)場設備之間數(shù)據(jù)的交換量飛速增長；另一方面，隨著計算機技術的發(fā)展，企業(yè)希望能夠?qū)⒌讓拥纳a(chǎn)信息整合到統(tǒng)一的全廠信息管理系統(tǒng)中，于是，企業(yè)的信息管理系統(tǒng)需要讀取現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程服務和維護，因此，縱向一致性也成為熱門的話題，用戶希望管理層和現(xiàn)場級能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動化技術兼容的通信方案，這樣可以大大簡化工廠控制系統(tǒng)的結(jié)構，節(jié)約系統(tǒng)實施和維護的成本。 基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術（Ethernet）開始逐漸從工廠和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng)技術開始應用于工廠的控制級通信。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)是為面向辦公自動化等實時性要求不高的領域而設計的，它采用總線式拓撲結(jié)構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實用價值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)——工業(yè)以太網(wǎng)。 2 工業(yè)以太網(wǎng)的技術特點 工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產(chǎn)品設計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性甚至本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。 2.1 實時性和確定性 隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應用成為可能。首先，以太網(wǎng)的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡碰撞機率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，交換機將網(wǎng)絡劃分為若干個網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡上的沖突域不復存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此使以太網(wǎng)通信確定性和實時性大大提高。 2.2 穩(wěn)定性和可靠性 以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡產(chǎn)品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。 隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了機架導軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構。臺灣四零四科技（Moxa Technologies）在2002年6月推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品—MOXA EtherDevice Server（工業(yè)以太網(wǎng)設備服務器），特別設計用于連接工業(yè)應用中具有以太網(wǎng)絡接口的工業(yè)設備（如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。 最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡技術，以此提高網(wǎng)絡的抗干擾能力和可靠性。 2.3 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 由于工業(yè)自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個借助網(wǎng)絡完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計算與操作功能，由多個網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)調(diào)完成自控任務。因而它需要在應用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。 對應于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在其之上的網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP（傳輸控制/網(wǎng)間）協(xié)議為主（已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡層“事實上的”標準）。而對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有作技術規(guī)定。目前商用計算機設備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）等應用層協(xié)議進行信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構等特性不適合應用于工業(yè)過程控制領域現(xiàn)場設備之間的實時通信。 為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應用要求,必須在Ethernet+TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協(xié)議，進而形成開放的標準。為此，各現(xiàn)場總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術，以及原有的低速現(xiàn)場總線應用層協(xié)議，從而構成了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。 3 基于TCP/IP的以太網(wǎng)在工業(yè)控制領域的應用 3.1 基于TCP/IP的以太網(wǎng) Ethernet僅僅只有物理層和鏈路層規(guī)范，它通常與TCP/IP等平臺無關的協(xié)議結(jié)合應用。我們所指的Ethernet實際上是指基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet，即Ethernet/IP。Ethernet/IP（Ethernet Industrial Protocol）是以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議的縮寫，它是羅克韋爾自動化（Rockwell Automation）公司推出的一種開放的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)標準。 現(xiàn)在羅克韋爾自動化網(wǎng)絡一般采用三層網(wǎng)絡結(jié)構，即設備層、控制層和信息層的體系。在這個體系中,數(shù)據(jù)可以雙向流通、層與層之間可以交換數(shù)據(jù),對某一具體應用可以選擇其中某層或某幾層,而且每層之間可能存在層疊。其目的是,采用一個開放的、扁平的、滿足高性能系統(tǒng)需求的、降低整體系統(tǒng)費用的（包括提高網(wǎng)絡/設備診斷能力、減少接線、安裝、系統(tǒng)調(diào)試時間，提高糾錯能力）的網(wǎng)絡體系,如圖1所示。 [align=center] 圖1 羅克韋爾自動化網(wǎng)絡三層體系機構[/align] 3.2 應用案例 廣州市自來水公司西洲水廠的PLC系統(tǒng)就是采用羅克韋爾公司的PLC系統(tǒng)。西洲水廠的取水泵站是在遠離廠區(qū)的東江下游的劉屋洲島上，與西洲水廠相隔十幾公里遠。為了生產(chǎn)調(diào)度的需要，劉屋洲取水泵站的PLC系統(tǒng)必須與西洲水廠的PLC系統(tǒng)通信，但卻沒有過江的通信電纜與外部聯(lián)系。因此劉屋洲取水泵站通過微波通信與西洲水廠組成無線以太網(wǎng)網(wǎng)絡。這個無線以太網(wǎng)實現(xiàn)兩大功能，一是PLC系統(tǒng)之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信，用于傳送實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，二是生產(chǎn)調(diào)度通訊，用于傳送生產(chǎn)監(jiān)控圖像和IP電話數(shù)據(jù)。在西洲水廠不但可以詳細了解劉屋洲取水泵站的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而且可以收到劉屋洲取水泵站的實時圖像。西洲水廠值班人員還可以與新塘水廠和劉屋洲取水泵站的值班人員利用IP電話進行通話，傳達生產(chǎn)調(diào)度的命令。這個無線以太網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構如圖2所示。 [align=center] 圖2 西洲水廠無線以太網(wǎng)絡結(jié)構圖[/align] 4 工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢和前景 目前以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。 由于工業(yè)以太網(wǎng)技術展示出來“一網(wǎng)到底”的工業(yè)控制信息化美景，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流前沿技術。