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、P―堅持CSMA。

    ②  CSMA/CD不但先聽(tīng)后發(fā)，而且還邊聽(tīng)邊發(fā)，總線(xiàn)上發(fā)生了沖突，而且一旦沖突被檢測到，便停止發(fā)送該幀，放棄自已的幀。為了使其它站也能知道產(chǎn)生了沖突，監聽(tīng)到?jīng)_突的站還向總線(xiàn)上傳播一個(gè)干擾阻塞信號，通知總線(xiàn)各站沖突已發(fā)生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )負載的加大，碰撞的機會(huì )會(huì )增加，網(wǎng)絡(luò )效率明顯下降。

3  工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)

    (1)  技術(shù)成熟，使用方便 以太網(wǎng)是美國XEROX公司于1975年推出的，至今已有30年歷史，得到全世界眾多廠(chǎng)家的支持，在軍事、工業(yè)、民用領(lǐng)域得到了廣泛應用。

    (2)  具有統一的標準，開(kāi)放性好 采用統一的IEEE802.3以太網(wǎng)標準CSMA/CD，是IEEE802.3采用的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)，可以實(shí)現不同廠(chǎng)家之間的產(chǎn)品互聯(lián)，是一種開(kāi)放式標準網(wǎng)絡(luò )。

    (3)  通信速率高，傳播速度快 以太網(wǎng)的通信速率目前已經(jīng)由10M提高到100M、1 000M，甚至10G。

    (4)  可分段地實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)、診斷和維護。

    (5)  支持冗余連接配置，數據可達性強 數據有多條通路，可達目的地。

    (6)  系統容量大，不會(huì )因為系統擴大出現不可預料的故障，有成熟可靠的系統安全體系。

    (7)  投資成本低，包括初期投資、培訓費用及維護費用。

    (8)  線(xiàn)路采用變壓器雙端隔離或光纖，抗干擾性強。

4  工業(yè)以太網(wǎng)目前存在的問(wèn)題

    現場(chǎng)總線(xiàn)是用于工業(yè)控制并為復雜而又惡劣環(huán)境的工業(yè)現場(chǎng)而設計的，因此對系統的實(shí)時(shí)性和響應時(shí)間有嚴格要求，對供電方式使用環(huán)境有特殊要求。由于以太網(wǎng)是為信息通信而設計的，用于工業(yè)控制存在以下問(wèn)題：

    (1)  以太網(wǎng)采用CSMA/CD訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，這是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò )，對于實(shí)時(shí)性要求高的控制系統，這種不確定性將造成信息不能按要求傳遞。同一網(wǎng)段上受到CSMA/CD媒體訪(fǎng)問(wèn)控制方式的制約。所謂網(wǎng)段是指連在同一共享式網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)上，可以偵聽(tīng)到對方發(fā)出的信息，處于同一沖突碰撞區域（指會(huì )發(fā)生沖突碰撞的區域）的工作站和服務(wù)器連成的網(wǎng)絡(luò )區。例如在一個(gè)沖突碰撞區域中有一個(gè)工作群組（由一臺服務(wù)器和多臺工作站組成），當多臺工作站訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)服務(wù)器時(shí)，由于受CSMA/CD的約束，同一時(shí)刻只允許一個(gè)工作站與服務(wù)器通信，其它工作站只能等待。各工作站爭搶通信信道，從而使工作站的通信產(chǎn)生延時(shí)，而且這種延時(shí)時(shí)間是不確定的，工作站愈多爭搶通信等待時(shí)間愈長(cháng)，這種情況被稱(chēng)為負荷愈重等待時(shí)間愈長(cháng)。

    若在一個(gè)碰撞域中，假設有兩個(gè)工作群組，處于一個(gè)碰撞域中，第一個(gè)工作群組工作站訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器時(shí)，要競爭網(wǎng)絡(luò )寬帶（例如100M），另一個(gè)工作群組中所有工作站及服務(wù)器都處于等待狀態(tài)而無(wú)法運行。兩個(gè)工作群組要分割原有網(wǎng)絡(luò )寬帶（100M），一個(gè)工作群組工作時(shí)，另一個(gè)群組必須等待，這樣不僅具有延時(shí)，而且這種延時(shí)是不確定的。由于CSMA/CD有無(wú)法預見(jiàn)的延時(shí)，特別在重負載下，實(shí)時(shí)數據傳送更得不到保證?？刂葡到y要有實(shí)時(shí)性保證，必須在任何時(shí)間都要及時(shí)響應，不允許有任何不確定性。因此以太網(wǎng)用于控制系統必須解決實(shí)時(shí)性和不確定性問(wèn)題。

    (2)  以太網(wǎng)在可靠性方面不如現場(chǎng)總線(xiàn)，現場(chǎng)總線(xiàn)是為工業(yè)控制設計的，能適應易燃、易爆（如化工、制藥）、干擾強烈場(chǎng)合及其它環(huán)境惡劣的場(chǎng)合?，F場(chǎng)總線(xiàn)有屏蔽，接地與防爆等措施，而以太網(wǎng)需要解決這些問(wèn)題。

    (3)  現場(chǎng)總線(xiàn)規范要求網(wǎng)段上配有電源，為所有非自供電的設備提供電源，而以太網(wǎng)不提供電源，必須增加額外的供電電纜。

5  工業(yè)以太網(wǎng)的應用可行性

    工業(yè)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制，對于上述問(wèn)題，隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和相應措施的實(shí)施，其實(shí)時(shí)性及可確定性取得很大改善：

    (1)  不斷提高以太網(wǎng)速率：近來(lái)年以太網(wǎng)的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps并已廣泛應用。目前10Gbps的以太網(wǎng)已經(jīng)商業(yè)化，數據傳輸時(shí)間大大縮短，響應時(shí)間得到提高，系統的實(shí)時(shí)性及不可確定性得到了改善。

    (2)  采用交換機以太網(wǎng)技術(shù)：由于共享式以太網(wǎng)工作站點(diǎn)爭搶信道而產(chǎn)生沖突碰撞影響了系統的實(shí)時(shí)性和不確定性，采用交換機以太網(wǎng)技術(shù)可使其得到改善。交換型的以太網(wǎng)中采用以太網(wǎng)交換機，交換機各端口之間同時(shí)可以形成多個(gè)數據通道，每個(gè)端口可連一個(gè)網(wǎng)段，端口之間幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議的約束。當系統包括多個(gè)工作群組，一般讓每個(gè)組群?jiǎn)为毥M成一個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段占用交換器（機）一個(gè)端口（如圖4所示交換機有A、B、C、D四個(gè)網(wǎng)段），各網(wǎng)段的工作大部分時(shí)間是獨立的，當任意兩個(gè)網(wǎng)段需要信息交換時(shí)，交換機能在2個(gè)獨立網(wǎng)段之間建立信息通道（例如圖4的A、B），一旦信息交換結束，通道即斷開(kāi)。

圖4  交換機隔離的網(wǎng)段

由此看出，交換式以太網(wǎng)可以克服共享式以太網(wǎng)存在的問(wèn)題：

    ?  交換機每個(gè)端口上，可連接一個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段可獨享帶寬；

    ?  交換機每個(gè)端口上，所接網(wǎng)段之間是獨立的、被隔離的，如需要網(wǎng)段間進(jìn)行信息通信的話(huà)，可以暫建立信息信道，經(jīng)過(guò)交換機的隔離，可大大減小沖突發(fā)生的概率，改善實(shí)時(shí)性和不確定性；

    ?  交換機VLAN技術(shù)的普遍采用，使交換系統能夠分配給控制信息點(diǎn)專(zhuān)有的通道和帶寬，從而保證在網(wǎng)絡(luò )繁忙的時(shí)候，控制系統仍有足夠寬裕的帶寬，使以太網(wǎng)信息傳輸的實(shí)時(shí)性和不確定性基本上保持在理論的水平上。
    
    (3)  在某些應用場(chǎng)合允許的情況下，盡量將控制網(wǎng)與信息網(wǎng)分割開(kāi)來(lái)使用，以避免實(shí)時(shí)數據與非實(shí)時(shí)數據的碰撞，使工業(yè)控制站點(diǎn)之間的以太網(wǎng)為獨立網(wǎng)段，從而改善實(shí)時(shí)性和不確定性。除此之外，還可以采用全雙工技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò )負載，以及在Ethernet+TCP/IP協(xié)議的基礎上制訂統一并適用于工業(yè)現場(chǎng)控制的應用層技術(shù)規范等措施。采取以上措施可以使工業(yè)以太網(wǎng)在某些軍事、工業(yè)、民用的領(lǐng)域的現場(chǎng)測控中得到初步應用。例如，國外不少?lài)液思铀倨髯钚聹y控方案選擇了以太網(wǎng)，除此之外汽車(chē)裝配線(xiàn)、薄鋼生產(chǎn)線(xiàn)等均采用工業(yè)以太網(wǎng)的方案，從測控領(lǐng)域的發(fā)展方向上看，工業(yè)以太網(wǎng)將是未來(lái)測控領(lǐng)域中的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是企業(yè)管控一體化和智能建筑系統集成的一種最佳方案。

    (4)  以太網(wǎng)的供電問(wèn)題，多年來(lái)一直是一個(gè)缺陷，特別是隨著(zhù)IP電話(huà)、IP攝像機、無(wú)線(xiàn)AP、ENC（Ethernet Control System）等系統的應用，人們更提出以太網(wǎng)在傳輸數據的同時(shí)，傳送部分能量，以滿(mǎn)足小型網(wǎng)絡(luò )設備用電的需求，解決小型網(wǎng)絡(luò )設備供電的無(wú)序狀態(tài)和居高不下的電源布線(xiàn)成本。因此IEEE 802.3af標準呼之即出，已形成一個(gè)以太網(wǎng)供電的國際標準，目前3COM、華為、DLINK等公司都有符合802.3af標準的交換機產(chǎn)品。IEEE 802.3af 標準的核心是在滿(mǎn)足802.3 標準的同時(shí)，由交換機向網(wǎng)絡(luò )終端設備提供48V或24V電源，至此工業(yè)以太網(wǎng)的供電問(wèn)題得到很好的解決，其原理如圖5所示。

圖5  以太網(wǎng)自供電原理圖

    (5)  以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò )形式，TCP/IP協(xié)議是一種開(kāi)放通信協(xié)議。安全問(wèn)題不屬于網(wǎng)絡(luò )形式和TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )的安全性最終關(guān)心的是在網(wǎng)絡(luò )上傳輸的應用層信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及傳輸的安全不外乎兩種方式：專(zhuān)有獨立通道和信息加密。前一種方式目的是讓不該得到的得不到，后一種方式讓不該得到的得到了也不知道。以太網(wǎng)的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)交換技術(shù)現已成為一種最基本的網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用通道技術(shù)，已經(jīng)非常成熟并廣泛使用。以太網(wǎng)可以很方便的將需要的通道隔離出來(lái)。Internet的信息加密是TCP/IP之上的基本與之無(wú)關(guān)的應用信息處理方法。信息在發(fā)出之前要進(jìn)行加密處理，信息在使用之后要進(jìn)行解密處理?，F在基本上都采用公開(kāi)的加密算法，秘密不靠加密方法保證，而是靠密碼（key）。信息安全的最后和最關(guān)鍵的因素是持有重要密碼的人，他保管使用密碼的過(guò)程、方式是通信系統的安全的核心。

6  工業(yè)以太網(wǎng)在智能建筑中的應用實(shí)例

    (1)  ENC-2001IP工業(yè)以太網(wǎng)測控系統簡(jiǎn)介

    北京樓宇自動(dòng)化工程中心（簡(jiǎn)稱(chēng)為北京樓宇自控中心）采用ENC-2001IP工業(yè)以太網(wǎng)測控系統對某小區15棟高層住宅的充配電、換熱、采暖、通風(fēng)、供水、消防、三表查收及樓宇對講六個(gè)子系統遠程監控，取得較好效果。
ENC工業(yè)以太網(wǎng)控制系統結構框如圖6所示。

    這些ENC參量控制模塊可以把智能建筑各子系統集成到以太網(wǎng)、電梯系統、火災報警等傳統設備上，帶有RS232或RS485接口，分別可接到ENCTRS200及ENCTRS400網(wǎng)關(guān)轉換模塊集成到以太網(wǎng)上，而IP電話(huà)及IP攝像機可以直接集成到以太網(wǎng)上。除此之外還提供CDMA/GRPS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)接口，例如系統報警信息即可通過(guò)該網(wǎng)關(guān)接口直接發(fā)送到手機上，并可通過(guò)手機對系統進(jìn)行控制。

圖6  系統結構框圖

AI：模擬量輸入模塊（ENC AI）  DI：數字量輸入模塊（ENC DI）

AO：模擬量輸出模塊（ENC AO）  DO：數字量輸出模塊（ENC DO）

FI： 脈沖輸入模塊（ENC FI）  FO：脈沖輸出模塊（ENC FO）

    網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數據管理系統：對底層設備的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行管理。

    WEB服務(wù)：完成對整個(gè)系統的操作控制。

    本地監控管理站：實(shí)際上是本地監控瀏覽器（Broswer）通過(guò)瀏覽器，可對系統監視。

    遠程工作站：實(shí)際上是遠程監控瀏覽器（Broswer）在網(wǎng)上通過(guò)瀏覽器對系統進(jìn)行監視

(2)  ENC參量集成模塊

    ENC參量集成模塊由北京樓宇自控中心開(kāi)發(fā)。

①  功能

    ?  內嵌WEB SEVER，可以通過(guò)瀏覽器直接對其進(jìn)行監控，配置校準；

    ?  客戶(hù)認證功能；

    ?  內嵌防火墻功能；

    ?  支持SOCKET的通信規程；

    ?  完善的TCP/IP協(xié)議；

    ?  10/100baset符合IEEE 802.3af 標準的以太網(wǎng)接口。

②  硬件結構：由中央處理器MCU、以太網(wǎng)網(wǎng)卡、傳感器、執行器、I/O接口以及存儲器（電子硬盤(pán)），電源組成，如圖7所示。

圖7  ENC網(wǎng)絡(luò )參量集成設備硬件結構圖

圖8  系統圖