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(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，稱為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）。FCS是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的，它的初衷是用數(shù)字通訊代替4～20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄）的發(fā)展，使FCS在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命。 在過(guò)去的十幾年間，在工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，F(xiàn)CS是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)中的主流解決方案。不過(guò)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線越來(lái)越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一方面，隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度的不斷提高，控制變得越來(lái)越分散，分布在工廠各處的智能設(shè)備之間以及智能設(shè)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(chǎng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換量飛速增長(zhǎng)；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)和維護(hù)，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(chǎng)級(jí)能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動(dòng)化技術(shù)兼容的通信方案，這樣可以大大簡(jiǎn)化工廠控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約系統(tǒng)實(shí)施和維護(hù)的成本。 基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術(shù)（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(shù)開始應(yīng)用于工廠的控制級(jí)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(shì)，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)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(dòng)化等實(shí)時(shí)性要求不高的領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，它采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)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(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(zhǎng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對(duì)以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)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(shù)特點(diǎn) 工業(yè)以太網(wǎng)，一般來(lái)講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)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(chǎng)的需要。 2.1 實(shí)時(shí)性和確定性 隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題帶來(lái)了新的契機(jī)，使這一應(yīng)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(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(shí)交換機(jī)還可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過(guò)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(luò)負(fù)荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對(duì)雙絞線（或兩根光纖）上分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，也不會(huì)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(luò)上的沖突域不復(fù)存在（全雙工通信），或碰撞機(jī)率大大降低（半雙工），因此使以太網(wǎng)通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。 2.2 穩(wěn)定性和可靠性 以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問(wèn)題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，而未針對(duì)較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問(wèn)題，美國(guó)Synergetic微系統(tǒng)公司和德國(guó)Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了機(jī)架導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。臺(tái)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(shè)備服務(wù)器），特別設(shè)計(jì)用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備（如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。 最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn)行了定義。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對(duì)于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個(gè)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個(gè)借助網(wǎng)絡(luò)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(jì)算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)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(duì)應(yīng)于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)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(luò)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(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對(duì)較高的層次如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等沒(méi)有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計(jì)算機(jī)設(shè)備之間是通過(guò)FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行信息透明訪問(wèn)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(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。 為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)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(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機(jī)制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。為此，各現(xiàn)場(chǎng)總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場(chǎng)總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)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(lǐng)域的應(yīng)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(tái)無(wú)關(guān)的協(xié)議結(jié)合應(yīng)用。我們所指的Ethernet實(shí)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(dòng)化（Rockwell Automation）公司推出的一種開放的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)在羅克韋爾自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)一般采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即設(shè)備層、控制層和信息層的體系。在這個(gè)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(duì)某一具體應(yīng)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(gè)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(fèi)用的（包括提高網(wǎng)絡(luò)/設(shè)備診斷能力、減少接線、安裝、系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，提高糾錯(cuò)能力）的網(wǎng)絡(luò)體系,如圖1所示。 [align=center] 圖1 羅克韋爾自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)三層體系機(jī)構(gòu)[/align] 3.2 應(yīng)用案例 廣州市自來(lái)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(yuǎn)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(yuǎn)。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(méi)有過(guò)江的通信電纜與外部聯(lián)系。因此劉屋洲取水泵站通過(guò)微波通信與西洲水廠組成無(wú)線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)無(wú)線以太網(wǎng)實(shí)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(shí)時(shí)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(xì)了解劉屋洲取水泵站的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而且可以收到劉屋洲取水泵站的實(shí)時(shí)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(jìn)行通話，傳達(dá)生產(chǎn)調(diào)度的命令。這個(gè)無(wú)線以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 [align=center] 圖2 西洲水廠無(wú)線以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[/align] 4 工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)和前景 目前以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的趨勢(shì)。未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 由于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)展示出來(lái)“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(chǎng)設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流前沿技術(shù)。