1、工業(yè)以太網技術發(fā)展現狀 工業(yè)以太網是應用于工業(yè)控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容。產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面能滿足工業(yè)現場的需要。 EtherNet過去被認為是一種“非確定性”的網絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領域只能得到有限應用，這是由于：（1）EtherNet的介質訪問控制（MAC）層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現場惡劣環(huán)境要求；（3）在工廠環(huán)境中，EtherNet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網不具備本質安全性能；（4）EtherNet不能通過信號線向現場設備供電問題。隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展與普及推廣，EtherNet傳輸速率的提高和EtherNet交換技術的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網中正在迅速得到解決，并使EtherNet全面應用于工業(yè)控制領域成為可能。目前工業(yè)以太網技術的發(fā)展體現在以下幾個方面： （一）通信確定性與實時性工業(yè)控制網絡不同于普通數據網絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。由于EtherNet采用CSMA/CD方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，故傳統(tǒng)以太網技術難以滿足控制系統(tǒng)要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網絡。 然而，快速以太網與交換式以太網技術的發(fā)展，給解決以太網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，EtherNet的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降。其次，采用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。EtherNet交換機由于具有數據存儲、轉發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節(jié)點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。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EtherNet通信確定性和實時性大大提高。（二）穩(wěn)定性與可靠性傳統(tǒng)的EtherNet并不是為工業(yè)應用而設計的，沒有考慮工業(yè)現場環(huán)境的適應性需要。由于工業(yè)現場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網絡也能穩(wěn)定工作的問題，德國Hirschmann、美國卓越TSC等公司專門開發(fā)和生產了工業(yè)以太網交換機等產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電。 （三）安全性工業(yè)系統(tǒng)的網絡安全是工業(yè)以太網應用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網絡系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現場設備層，合成一體，使數據的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現數據的共享，提高工廠的運作效率。但同時也引人了一系列的網絡安全向題，工業(yè)網絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。一般情況下，可以采用網關或防火墻等對工業(yè)網絡與外部網絡進行隔離，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制加強網絡的安全管理。 （四）總線供電問題總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現場設備的線纜不僅傳輸數據信號，還能給現場設備提供工作電源。對于現場設備供電可以采取以下方法： （1）在目前以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規(guī)范，將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離開來。 （2）不改變目前物理層的結構，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供電源。 2、工業(yè)以太網的優(yōu)勢 （一）應用廣泛 以太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，幾乎所有的編程語言如VisualC＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太網的應用開發(fā)。 （二）通信速率高目前，10、100Mb/s的快速以太網已開始廣泛應用，1Gb/s以太網技術也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現場總線最高速率只有12Mb/s。顯然，以太網的速率要比傳統(tǒng)現場總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網絡不斷增長的帶寬要求。 （三）成本低廉 以太網網卡的價格較之現場總線網卡要便宜得多（約為1/10）；另外，以太網已經應用多年，人們對以太網的設計、應用等方面有很多經驗，具有相當成熟的技術。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。 （四）資源共享能力強 隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網已滲透到各個角落，網絡上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現場的數據，實現“控管一體化”，這是其他任何一種現場總線都無法比擬的。 （五）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笠蕴W的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術升級方面無需獨自的研究投入，對于這一點，任何現有的現場總線技術都是無法比擬的。同時，機器人技術、智能技術的發(fā)展都要求通信網絡具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網都能很好地滿足。 3、工業(yè)以太網在控制領域應用 現狀工業(yè)以太網與現場總線相比，它能提供一個開放的標準，是企業(yè)從現場控制到管理層實現全面的無縫的信息集成，解決了由于協(xié)議上的不同導致的“自動化孤島”問題，但從目前的發(fā)展看，工業(yè)以太網在控制領域的應用主要體現在以下幾種形式。 （一）混合EtherNet/Fieldbus的網絡結構 這種結構實際上就是信息網絡和控制網絡的一種典型的集成形式。 以太網正在逐步向現場設備級深入發(fā)展，并盡可能的和其他網絡形式走向融合，但以太網和TCP/IP原本不是面向控制領域的，在體系結構、協(xié)議規(guī)則、物理介質、數據、軟件、實驗環(huán)境等諸多方面并不成熟，而現場總線能完全滿足現代企業(yè)對底層控制網絡的基本要求，實現真正的全分布式系統(tǒng)。因此，在企業(yè)信息層采用以太網，而在底層設備級采用現場總線，通過通信控制器實現兩者的信息交換。 （二）基于Web的網絡監(jiān)控平臺 嵌人式以太網是最近網絡應用熱點，就是通過Internet使所有連接網絡的設備彼此互通，從計算機、PDA、通信設備到儀器儀表、家用電器等。在企業(yè)內部，可以利用企業(yè)信息網絡，進行工廠實時運行數據的發(fā)布和顯示，管理者通過Web瀏覽器對現場工況進行實時遠程監(jiān)控、遠程設備調試和遠程設備故障診斷和處理。實現的最簡單辦法就是采用獨立的以太網控制器，連接具有TCP/IP界面的控制主機以及具有RS-232或RS-4.85接口的現場設備。以太網控制器在這里扮演了通用計算機網絡和現場各類設備之間的一個橋梁。 4、工業(yè)以太網技術的發(fā)展趨勢與前景 由于以太網具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，目前它已經在工業(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，并呈現向下延伸直接應用于工業(yè)控制現場的趨勢。從目前國際、國內工業(yè)以太網技術的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網在制造執(zhí)行層已得到廣泛應用，并成為事實上的標準。未來工業(yè)以太網將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現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?？偟膩碚f，工業(yè)以太網技術的發(fā)展趨勢將體現在以下幾個方面： （一）工業(yè)以太網與現場總線相結合工業(yè)以太網技術的研究還只是近幾年才引起國內外工控專家的關注。而現場總線經過十幾年的發(fā)展，在技術上日漸成熟，在市場上也開始了全面推廣，并且形成了一定的市場。就目前而言，全面代替現場總線還存在一些問題，需要進一步深入研究基于工業(yè)以太網的全新控制系統(tǒng)體系結構，開發(fā)出基于工業(yè)以太網的系列產品。因此，近一段時間內，工業(yè)以太網技術的發(fā)展將與現場總線相結合，具體表現在： （1）物理介質采用標準以太網連線，如雙絞線、光纖等； （2）使用標準以太網連接設備（如交換機等），在工業(yè)現場使用工業(yè)以太網交換機； （3）采用IEEE802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組； （4）應用層（甚至是用戶層）采用現場總線的應用層、用戶層協(xié)議； （5）兼容現有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等； （二）工業(yè)以太網技術直接應用于工業(yè)現場設備間的通信已成大勢所趨 隨著以太網通信速率的提高、全雙工通信、交換技術的發(fā)展，為以太網的通信確定性的解決提供了技術基礎，從而消除了以太網直接應用于工業(yè)現場設備間通信的主要障礙，為以太網直接應用于工業(yè)現場設備間通信提供了技術可能。為此，國際電工委員會IEC正著手起草實時以太網（Real-timeEtherNetRTE）標準，旨在推動以太網技術在工業(yè)控制領域的全面應用。針對這種形勢，以浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學、大連理工大學、重慶郵電學院等單位，在國家“863”計劃的支持下，開展了EPA（EtherNetforPlantAutomation）技術的研究，重點是研究以太網技術應用于工業(yè)控制現場設備間通信的關鍵技術，通過研究和攻關，取得了以下成果： （1）以太網應用于現場設備間通信的關鍵技術獲得重大突破。 針對工業(yè)現場設備間通信具有實時性強、數據信息短、周期性較強等特點和要求，經過認真細致的調研和分析，采用以下技術基本解決了以太網應用于現場設備間通信的關鍵技術： ①實時通信技術其中采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數據通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現場設備層網絡微網段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網通信的實時性。 ②總線供電技術采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。 ③遠距離傳輸技術采用網絡分層、控制區(qū)域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術解決以太網的遠距離傳輸問題。 ④網絡安全技術 采用控制區(qū)域微網段化，各控制區(qū)域通過具有網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網絡隔離。 ⑤可靠性技術 采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網技術的現場設備可靠性，經實驗室EMC測試，設備可靠性符合工業(yè)現場控制要求。 （2）起草了EPA國家標準。以工業(yè)現場設備間通信為目標，以工業(yè)控制工程師（包括開發(fā)和應用）為使用對象，基于以太網、無線局域網、藍牙技術+TCP/IP協(xié)議，起草了“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構和通信標準”（草案），并通過了由TC124組織的技術評審。 （3）開發(fā)基于以太網的現場總線控制設備及相關軟件原型樣機，并在化工生產裝置上成功應用。針對工業(yè)現場控制應用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，開發(fā)出了基于以太網技術的現場控制設備，主要包括：基于以太網的現場設備通信模塊、變送器、執(zhí)行機構、數據采集器、軟PLC等成果等。在此基礎上開發(fā)的基于EPA的分布式網絡控制系統(tǒng)在杭州某化工廠的聯(lián)堿碳化裝置上成功應用，該系統(tǒng)自2003年4月投運一直穩(wěn)定運行至今。 （4）北京合成網絡技術有限公司為使國內工業(yè)以太網技術迅速與國際水平接軌，斥資推出了“工業(yè)以太網工程師認證（IEEC）”課程，并相繼推出提高班課程，供國內廣大工業(yè)自動化領域的工程師及工程管理人員學習提高。 （三）發(fā)展前景據美國權威調查機構ARC（AutomationResearchCompany）報告指出，今后EtherNet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機網絡通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網絡通信市場，也必將領導未來現場總線的發(fā)展，EtherNet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協(xié)議。美國VDC（VentureDevelopmentCorp.）調查報告也指出，EtherNet在工業(yè)控制領域中的應用將越來越廣泛，市場占有率的增長也越來越快，將從2000年的11%增加到2005年的23%。 由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網已成為現場總線中的主流技術。 目前，在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發(fā)布了基于高速以太網技術的現場總線設備研究項目，其目標是：攻克應用于工業(yè)控制現場的高速以太網的關鍵技術，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等問題，同時研究開發(fā)相關高速以太網技術的現場設備、網絡化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。 5、總結 以太網有“E網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現場設備控制層，被人們認為是未來控制網絡的最佳解決方案。雖然就目前的應用而言，工業(yè)以太網還不適合所有的工業(yè)自動化設備，并不能全面地應用于工業(yè)控制領域，且由于各大生產廠商的應用層協(xié)議的不同，給工業(yè)以太網全面應用帶來一定的影響，但是以太網在進入工業(yè)控制領域的過程中將逐步成熟，并具有巨大的發(fā)展?jié)摿头浅V闊的前景，其應用領域將不斷地得到擴展，而且應用廣度和深度也將繼續(xù)擴大。此外，工業(yè)以太網技術的應用已經有了長足的發(fā)展，為解決工業(yè)應用中的實時性問題提供了多種手段，而且解決問題的方案也不是唯一的，只要遵循基本原理，針對工業(yè)控制現場的具體實際情況，其實這些問題都是可以解決的