所謂工業(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標準）兼容，但在產(chǎn)品設計時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。

1  工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現狀

    所謂工業(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標準）兼容，但在產(chǎn)品設計時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。

    隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問(wèn)題帶來(lái)了希望，并使Ethernet全面應用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現在以下幾個(gè)方面：

1.1  通信確定性與實(shí)時(shí)性

    工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )不同于普通數據網(wǎng)絡(luò )的最大特點(diǎn)在于它必須滿(mǎn)足控制作用對實(shí)時(shí)性的要求，即信號傳輸要足夠的快和滿(mǎn)足信號的確定性。實(shí)時(shí)控制往往要求對某些變量的數據準確定時(shí)刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡(luò )負荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò )傳輸的不確定性不能滿(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，因此傳統以太網(wǎng)技術(shù)難以滿(mǎn)足控制系統要求準確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被視為非確定性的網(wǎng)絡(luò )。

    然而，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，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1 000M、10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò )傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò )碰撞機率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，交換機將網(wǎng)絡(luò )劃分為若干個(gè)網(wǎng)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(shí)交換機還可對網(wǎng)絡(luò )上傳輸的數據進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內節點(diǎn)間數據的傳輸只限在本地網(wǎng)段內進(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 )負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(xiàn)（或兩根光纖）上分別同時(shí)接收和發(fā)送報文幀，也不會(huì )發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線(xiàn)器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò )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(shí)時(shí)性大大提高。

1.2  穩定性與可靠性

    Ethernet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(xiàn)器、交換機和電纜等均是為商用領(lǐng)域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境來(lái)設計（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)品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境中。

    隨著(zhù)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)應用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò )也能穩定工作的問(wèn)題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了導軌式集線(xiàn)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(wù)器），特別設計用于連接工業(yè)應用中具有以太網(wǎng)絡(luò )接口的工業(yè)設備（如 PLC、HMI、DCS系統等）。

    最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線(xiàn)供電規范也進(jìn)行了定義。此外，在實(shí)際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現場(chǎng)設備的連接則可采用屏蔽雙絞線(xiàn)，對于重要的網(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。

1.3  工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

    由于工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )控制系統不單單是一個(gè)完成數據傳輸的通信系統，而且還是一個(gè)借助網(wǎng)絡(luò )完成控制功能的自控系統。它除了完成數據傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸的數據和指令，執行某些控制計算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)協(xié)調完成自控任務(wù)。因而它需要在應用、用戶(hù)等高層協(xié)議與規范上滿(mǎn)足開(kāi)放系統的要求，滿(mǎn)足互操作條件。

    對應于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)規范只映射為其中的物理層和數據鏈路層；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”標準）。而對較高的層次如會(huì )話(huà)層、表示層、應用層等沒(méi)有作技術(shù)規定。目前商用計算機設備之間是通過(guò)FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠程登錄協(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）等應用層協(xié)議進(jìn)行信息透明訪(fǎng)問(wèn)的，它們如今在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數據結構等特性不適合應用于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域現場(chǎng)設備之間的實(shí)時(shí)通信。

    為滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)控制系統的應用要求，必須在Ethernet+TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機制，協(xié)調好工業(yè)現場(chǎng)控制系統中實(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(chǎng)商和用戶(hù)所接收的應用層、用戶(hù)層協(xié)議，進(jìn)而形成開(kāi)放的標準。為此，各現場(chǎng)總線(xiàn)組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現場(chǎng)總線(xiàn)體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現場(chǎng)總線(xiàn)應用層協(xié)議，從而構成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

(1)  HSE(High Speed Ethernet，高速以太網(wǎng))

    HSE是現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )在摒棄了原有高速總線(xiàn)H2之后的新作。FF現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )明確將HSE定位成實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。由HSE鏈接設備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理系統。操作員在主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò )瀏覽器查看現場(chǎng)運行情況?，F場(chǎng)設備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò )獲得控制信息。

    HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP，在應用層和用戶(hù)層直接采用FF H1的應用層服務(wù)和功能塊應用進(jìn)程規范，并通過(guò)鏈接設備(Linking Device)將FF H1網(wǎng)絡(luò )連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設備同時(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，它的網(wǎng)橋功能能用來(lái)連接多個(gè)H1總線(xiàn)網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上的H1設備之間能夠進(jìn)行對等通信而無(wú)需主機系統的干預。HSE主機可以與所有的鏈接設備和鏈接設備上掛接的H1設備進(jìn)行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場(chǎng)設備，并接收來(lái)自現場(chǎng)設備的數據信息，實(shí)現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能塊或者“柔性功能塊”(FFB)中。

(2)  PROFInet

    Profibus國際組織針對工業(yè)控制要求和Profibus技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于以太網(wǎng)的PROFInet，它主要包含3方面的技術(shù)：① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動(dòng)化系統；② 規定了Profibus和標準以太網(wǎng)之間的開(kāi)放、透明通信；③ 提供了一個(gè)包括設備層和系統層、獨立于制造商的系統模型。

    PROFInet采用標準TCP/IP+以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標準TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC／DCOM來(lái)完成節點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò )尋址。它可以同時(shí)掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場(chǎng)設備?，F有的Profibus網(wǎng)段可以通過(guò)一個(gè)代理設備(proxy)連接到PROFInet網(wǎng)絡(luò )當中，使整套Profibus設備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在PROFInet中使用。傳統的Profibus設備可通過(guò)代理proxy與PROFInet上面的COM對象進(jìn)行通信，并通過(guò)OLE自動(dòng)化接口實(shí)現COM對象之間的調用。

(3)  Ethernet/IP

    Ethernet/IP（以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）是主推ControlNet現場(chǎng)總線(xiàn)的Rockwell Automation公司對以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域做出的積極響應。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò )采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結構，采用以太網(wǎng)交換機實(shí)現各設備間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，能同時(shí)支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品，Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等3個(gè)部分組成，前面兩部分為標準的以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱(chēng)作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò )中相同的CIP，CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，一方面實(shí)現信息的對等傳輸，其控制部分用來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分則用來(lái)實(shí)現非實(shí)時(shí)的信息交換。

2  工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢與前景

    由于以太網(wǎng)具有應用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統中的資源管理層、執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(chǎng)的趨勢。從目前國際、國內工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執行層已得到廣泛應用，并成為事實(shí)上的標準。未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統中的現場(chǎng)設備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用?？偟膩?lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現在以下幾個(gè)方面：

2.1  工業(yè)以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)相結合

    工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究還只是近幾年才引起國內外工控專(zhuān)家的關(guān)注。而現場(chǎng)總線(xiàn)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，在市場(chǎng)上也開(kāi)始了全面推廣，并且形成了一定的市場(chǎng)。就目前而言，全面代替現場(chǎng)總線(xiàn)還存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統體系結構，開(kāi)發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。因此，近一段時(shí)間內，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現場(chǎng)總線(xiàn)相結合，具體表現在：

(1)  物理介質(zhì)采用標準以太網(wǎng)連線(xiàn)，如雙絞線(xiàn)、光纖等；

(2)  使用標準以太網(wǎng)連接設備（如交換機等），在工業(yè)現場(chǎng)使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；

(3)  采用IEEE 802.3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(hù)層）采用現場(chǎng)總線(xiàn)的應用層、用戶(hù)層協(xié)議；

(5)  兼容現有成熟的傳統控制系統，如DCS、PLC等；

    這方面比較典型的應用有如法國施耐德公司推出“透明工廠(chǎng)”的概念，即將工廠(chǎng)的商務(wù)網(wǎng)、車(chē)間的制造網(wǎng)絡(luò )和現場(chǎng)級的儀表、設備網(wǎng)絡(luò )構成暢通的透明網(wǎng)絡(luò )，并與Web功能相結合，與工廠(chǎng)的電子商務(wù)、物資供應鏈和ERP等形成整體。

2.2  工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間的通信已成大勢所趨

    隨著(zhù)以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎，從而消除了以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間通信提供了技術(shù)可能。為此，國際電工委員會(huì )IEC正著(zhù)手起草實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(Real-time Ethernet, RTE)標準，旨在推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的全面應用。針對這種形勢，以浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院等單位，在國家“863”計劃的支持下，開(kāi)展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技術(shù)的研究，重點(diǎn)是研究以太網(wǎng)技術(shù)應用于工業(yè)控制現場(chǎng)設備間通信的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)研究和攻關(guān)，取得了以下成果：

(1)  以太網(wǎng)應用于現場(chǎng)設備間通信的關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破。

    針對工業(yè)現場(chǎng)設備間通信具有實(shí)時(shí)性強、數據信息短、周期性較強等特點(diǎn)和要求，經(jīng)過(guò)認真細致的調研和分析，采用以下技術(shù)基本解決了以太網(wǎng)應用于現場(chǎng)設備間通信的關(guān)鍵技術(shù)：

①  實(shí)時(shí)通信技術(shù)

    其中采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數據通信調度控制策略、簡(jiǎn)化通信棧軟件層次、現場(chǎng)設備層網(wǎng)絡(luò )微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過(guò)程控制的通信實(shí)時(shí)性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性。

②  總線(xiàn)供電技術(shù)

    采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設計了能實(shí)現網(wǎng)絡(luò )供電或總線(xiàn)供電的以太網(wǎng)集線(xiàn)器，解決了以太網(wǎng)總線(xiàn)的供電問(wèn)題。

③  遠距離傳輸技術(shù)

    采用網(wǎng)絡(luò )分層、控制區域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò )超小時(shí)滯中繼以及光纖等技術(shù)解決以太網(wǎng)的遠距離傳輸問(wèn)題。

④  網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)
 
    采用控制區域微網(wǎng)段化，各控制區域通過(guò)具有網(wǎng)絡(luò )隔離和安全過(guò)濾的現場(chǎng)控制器與系統主干相連，實(shí)現各控制區域與其他區域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò )隔離。

⑤  可靠性技術(shù)

    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(shù)等，提高基于以太網(wǎng)技術(shù)的現場(chǎng)設備可靠性，經(jīng)實(shí)驗室EMC測試，設備可靠性符合工業(yè)現場(chǎng)控制要求。

(2)  起草了EPA國家標準。

    以工業(yè)現場(chǎng)設備間通信為目標，以工業(yè)控制工程師（包括開(kāi)發(fā)和應用）為使用對象，基于以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙技術(shù)+TCP/IP協(xié)議，起草了“用于工業(yè)測量與控制系統的EPA系統結構和通信標準”（草案），并通過(guò)了由TC124組織的技術(shù)評審。

(3)  開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的現場(chǎng)總線(xiàn)控制設備及相關(guān)軟件原型樣機，并在化工生產(chǎn)裝置上成功應用。針對工業(yè)現場(chǎng)控制應用的特點(diǎn)，通過(guò)采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，開(kāi)發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術(shù)的現場(chǎng)控制設備，主要包括：基于以太網(wǎng)的現場(chǎng)設備通信模塊、變送器、執行機構、數據采集器、軟PLC等成果等。

    在此基礎上開(kāi)發(fā)的基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統在杭州某化工廠(chǎng)的聯(lián)堿碳化裝置上成功應用，該系統自2003年4月投運一直穩定運行至今。

2.3  發(fā)展前景

    據美國權威調查機構ARC(Automation Research Company)報告指出，今后Ethernet不僅繼續壟斷商業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò )通信和工業(yè)控制系統的上層網(wǎng)絡(luò )通信市場(chǎng)，也必將領(lǐng)導未來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線(xiàn)和現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎協(xié)議。美國VDC(Venture Development Corp.)調查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應用將越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)占有率的增長(cháng)也越來(lái)越快，將從2000年的11%增加到2005年的23%。

    由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽(yù)，即它可以一直延伸到企業(yè)現場(chǎng)設備控制層，所以被人們普遍認為是未來(lái)控制網(wǎng)絡(luò )的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現場(chǎng)總線(xiàn)中的主流技術(shù)。

    目前，在國際上有多個(gè)組織從事工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)技術(shù)的現場(chǎng)總線(xiàn)設備研究項目，其目標是：攻克應用于工業(yè)控制現場(chǎng)的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括解決以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等問(wèn)題，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現場(chǎng)設備、網(wǎng)絡(luò )化控制系統和系統軟件。