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(zhuān)門(mén)為控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)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(chǎng)各處的智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備和工廠(chǎng)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(chǎng)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(mén)的話(huà)題，用戶(hù)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(chǎng)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(kāi)始逐漸從工廠(chǎng)和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工廠(chǎng)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(xiàn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽(tīng)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(chēng)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(mǎn)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(xiàn)（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(xiàn)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(xiàn)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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了機(jī)架導(dǎo)軌式集線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(hù)等高層協(xié)議與規(guī)范上滿(mǎn)足開(kāi)放系統(tǒng)的要求，滿(mǎn)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(huà)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(fǎng)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(mǎn)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(chǎng)商和用戶(hù)所接收的應(yīng)用層、用戶(hù)層協(xié)議，進(jìn)而形成開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)。為此，各現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiě)，它是羅克韋爾自動(dòng)化（Rockwell Automation）公司推出的一種開(kāi)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(kāi)放的、扁平的、滿(mǎn)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(xiàn)、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(chǎng)的PLC系統(tǒng)就是采用羅克韋爾公司的PLC系統(tǒng)。西洲水廠(chǎng)的取水泵站是在遠(yuǎn)離廠(chǎng)區(qū)的東江下游的劉屋洲島上，與西洲水廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)組成無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)無(wú)線(xiàn)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(huà)數(shù)據(jù)。在西洲水廠(chǎng)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(chǎng)值班人員還可以與新塘水廠(chǎng)和劉屋洲取水泵站的值班人員利用IP電話(huà)進(jìn)行通話(huà)，傳達(dá)生產(chǎn)調(diào)度的命令。這個(gè)無(wú)線(xiàn)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(chǎng)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)中的主流前沿技術(shù)。