郭維鈞  方甲松

1  工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生的背景

    (1)  統一現場(chǎng)總線(xiàn)標準成為泡影，誘惑依然

    1984年美國著(zhù)手制定現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準，若干年以來(lái)，世界各大公司為了商業(yè)的利益，現場(chǎng)總線(xiàn)標準始終不能統一。通過(guò)多次投票、協(xié)商，2000年1月宣布的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準IEC61158將八種總線(xiàn)（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時(shí)列為國際標準（目前已達10種），形成一個(gè)妥協(xié)的結果。

    同時(shí)，國外各大公司又推出了自己的標準，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法國Schneider等，目前多種總線(xiàn)的標準同時(shí)存在的局面依然存在，人們所說(shuō)的開(kāi)放性和互操作性只能在同一種總線(xiàn)標準下實(shí)現，不同標準總線(xiàn)之間仍然受到限制。不同總線(xiàn)之間的互聯(lián)性得不到保證，因此人們在努力尋求一種統一標準的現場(chǎng)總線(xiàn)，有人提出了采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。

    (2)  系統集成的需求

    ①  工業(yè)自動(dòng)化的管控一體化 企業(yè)信息化是我國的國策，以制造自動(dòng)化及信息化為例：在需要改變業(yè)務(wù)流程度的同時(shí)，將管理信息系統與電子商務(wù)、分散的網(wǎng)絡(luò )化制造加以集成，把現有的企業(yè)資源ERP改造成為基于WEB的應用系統。目前工業(yè)自動(dòng)化已從單機自動(dòng)化、工廠(chǎng)自動(dòng)化，向系統自動(dòng)化發(fā)展，底層的信息要集成到上層的信息網(wǎng)上以實(shí)現管控一體化的集成系統。以現代制造業(yè)為例，其現代制造自動(dòng)化模型如圖1所示。

圖1  現代制造自動(dòng)化模型

    現代化生產(chǎn)系統為一個(gè)多層的工業(yè)控制系統，一般分為三層：

•  設備層 聯(lián)接檢測設備和執行機構；

•  控制層 從現場(chǎng)設備取得數據，完成各種控制，監測運行參數，報警和歷史趨勢分析等；

•  信息層 將控制系統的各種數據加工后傳至上級管理網(wǎng)絡(luò )（TCP/IP以太網(wǎng)），以便實(shí)現管控一體化，其網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示。

圖2  企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡(luò )結構圖

    ②  智能建筑的系統集成 城市信息化、數字化的發(fā)展、智能建筑（包括智能化住宅小區），已成為數字化城市的信息站點(diǎn)，要實(shí)現信息共享，必須實(shí)現控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的縱向集成，即控制網(wǎng)與TCP/IP的以太網(wǎng)集成。各子系統（空調、給排水、供電……）由控制網(wǎng)互聯(lián)再經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入TCP/IP以太網(wǎng)，或者各子系統經(jīng)網(wǎng)關(guān)直接接入TCP/IP以太網(wǎng)。

    智能建筑集成系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖3所示。

圖3  智能建筑系統集成網(wǎng)絡(luò )結構圖

    由于各子系統及各現場(chǎng)設備通訊協(xié)議是多樣化的，這兩種集成模式都要開(kāi)發(fā)網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現協(xié)議的轉換和統一，這樣加大了系統集成技術(shù)的復雜性，提高了成本。有人大膽提出能否用TCP/IP協(xié)議作為一個(gè)統一的協(xié)議，各子系統及各現場(chǎng)設備直接接到以太網(wǎng)上以簡(jiǎn)化系統集成的技術(shù)難度，降低成本，使控制信號直接由以太網(wǎng)傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)的概念因此被提出。

2  以太網(wǎng)與CSMA/CD

    (1)  以太網(wǎng)

    以太網(wǎng)（Ethernet）1975年由美國XEROX公司研制成功，由于采用無(wú)源介質(zhì)（如雙絞線(xiàn)、同軸電纜等）來(lái)傳播信息，所以以歷史上把傳播電磁波稱(chēng)為“以太”（Ether）來(lái)命名。

    1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯(lián)合推出了EthernetV2，是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)規范。1983年IEEEE802委員會(huì )以DIX EthernetV2為基礎推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)。

    802.3是指采用CSMA/CD的網(wǎng)絡(luò )，而以太網(wǎng)的標準由DIX EthernetV2定義，在不嚴格的情況下，可以稱(chēng)之為802.3局域網(wǎng)，也就是以太網(wǎng)。

    工業(yè)以太網(wǎng)就是將商用以太網(wǎng)應用到工業(yè)控制系統，兩種網(wǎng)絡(luò )并沒(méi)有本質(zhì)的區別，兩者是兼容的。

    (2)  CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測）

    CSMA/CD最早是由CSMA改進(jìn)而來(lái)。

    ①  CSMA（載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)）：一個(gè)站要發(fā)送信號，首先要監聽(tīng)總線(xiàn)，以決定介質(zhì)是否存在其它站發(fā)來(lái)的信號。

•  如果介質(zhì)是空閑的，則可以發(fā)送；

•  如果介質(zhì)正處于工作狀態(tài)，則等待一段間隔后重試，當聽(tīng)到介質(zhì)處于忙狀態(tài)，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽(tīng)信號：非堅持CSMA、1―堅持CSMA