摘 要:本文介紹了現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的一些問題，分析了以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場總線中面臨的問題，綜合現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究，提出了工業(yè)以太網(wǎng)在應(yīng)用中一些實(shí)際的解決方法，同時(shí)分析工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞:工業(yè)以太網(wǎng) 控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線 通信網(wǎng)絡(luò) 1 引言 在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，實(shí)際應(yīng)用對控制系統(tǒng)的要求越來越高。在20世紀(jì)50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動(dòng)化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨后是在70～80年代，集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）的出現(xiàn)，把大量分散的單回路測控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)回路調(diào)節(jié)、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種功能，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。 DCS一般由操作站級、過程控制級和現(xiàn)場儀表三級組成，其特點(diǎn)是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個(gè)局部的不可靠而造成對整個(gè)系統(tǒng)的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流。但DCS的結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系，底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過主機(jī)，從而造成主機(jī)負(fù)荷過重，效率低下，并且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)“癱瘓”。而且DCS是一種數(shù)字—模擬混合系統(tǒng)，現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議封閉，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用。 進(jìn)入90年代，具有數(shù)字化的通信方式、全分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高度的環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)的現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉(zhuǎn)入現(xiàn)場智能儀表，而在此基礎(chǔ)上形成的新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層、控制層和信息層。采用了現(xiàn)場總線技術(shù)使控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備成為可能，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不僅是通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。FCS正在走向取代DCS并推動(dòng)著工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍。 2 現(xiàn)場總線應(yīng)用中的問題 2.1標(biāo)準(zhǔn)問題 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題有待解決，其中最突出的問題就是缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。2000年初IEC公布的IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生了H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等８種IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)子集。IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)制定的結(jié)局表明，在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，將出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線并存的局面，并導(dǎo)致控制網(wǎng)段的系統(tǒng)集成與信息集成面臨困難。 無論是最終用戶還是工程集成商也包括制造商，都在尋求高性能、低成本的解決方案。8種類型的現(xiàn)場總線采用不同的通信協(xié)議，要實(shí)現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現(xiàn)場總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域，如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對象，將不同層次的現(xiàn)場總線組合使用，使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場總線，對用戶來說，仍然是比較棘手的問題。 2.2系統(tǒng)的集成問題 在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)大的系統(tǒng)很可能采用多種的現(xiàn)場總線，特別是中國那些高速成長的終端用戶，在企業(yè)的不同發(fā)展階段和國際范圍的跨國制造裝備采購幾乎不可能統(tǒng)一技術(shù)前沿的現(xiàn)場總線。如何把企業(yè)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與管理層的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫地集成，從而使整個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)管控一體化，顯得十分關(guān)鍵。現(xiàn)場總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)，不僅要考慮各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的距離，還要考慮現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)情況等。由于智能化現(xiàn)場儀表的功能很強(qiáng)，因此許多儀表會(huì)有同樣的功能塊，組態(tài)時(shí)要仔細(xì)考慮功能塊的選擇，使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)最小化。同時(shí)通信參數(shù)的組態(tài)也很重要，要在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡。 2.3存在技術(shù)瓶頸 現(xiàn)場總線在應(yīng)用中還存在一些技術(shù)瓶頸問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）當(dāng)總線電纜斷開時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)有可能癱瘓。用戶希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低，但不能崩潰，這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場總線不能保證。 （2）本安防爆理論的制約?，F(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量。這就是限制了現(xiàn)場總線節(jié)省電纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。 （3）系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過分復(fù)雜?，F(xiàn)場總線的組態(tài)參數(shù)很多，不容易掌握，但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞，對系統(tǒng)性能影響很大。 因此，采用一種統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)對于現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴(kuò)展性和兼容性的問題，業(yè)內(nèi)人士把目光轉(zhuǎn)移到了在商用局域網(wǎng)中大獲成功的具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬件資源豐富、兼容性好、靈活性高、易于與Internet集成、支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)。 3 以太網(wǎng)與TCP/IP 以太網(wǎng)（Ethernet）最早來源于Xerox公司于1973年建造的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種總線式局域網(wǎng)，以基帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，采用CSMA/CD協(xié)議。Xerox公司建造的以太網(wǎng)非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1985年，IEEE802委員會(huì)吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行了修改。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只描述了使用50歐同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸率為10Mbps的總線局域網(wǎng)，而且以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括ISO數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的全部內(nèi)容;而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)描述了運(yùn)行在各種介質(zhì)上的、數(shù)據(jù)傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)，而且IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)只定義了ISO參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層（即介質(zhì)訪問控制MAC子層）和物理層，而數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。 該規(guī)范規(guī)定采用載波偵聽多路訪問/沖突（碰撞）檢測CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect），信號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。 按照ISO的OSI七層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng)。以太網(wǎng)在成為數(shù)據(jù)鏈路和物理層的協(xié)議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來國際互連網(wǎng)采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協(xié)議組放在一起，稱為以太網(wǎng)技術(shù);TCP/IP的簡單實(shí)用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，而且在各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開始向現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)延伸。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎(chǔ)的TCP/IP協(xié)議簇。 在TCP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議是IP（InternetProtocol），同時(shí)還提供ARP（AddressResolutionProtocol）、RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）、ICMP（InternetControlMessagesProtocol）等協(xié)議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求（即組裝IP數(shù)據(jù)報(bào)并發(fā)往網(wǎng)絡(luò)接口）、處理輸入數(shù)據(jù)報(bào)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)或從數(shù)據(jù)報(bào)中抽取分組、處理差錯(cuò)與控制報(bào)文（包括處理路由、流量控制、擁塞控制等）。 傳輸層的功能是提供應(yīng)用程序間（端到端）的通信服務(wù)，它提供用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（UserDatagramProtocol）和傳輸控制協(xié)議TCP（TransferControlProtocol）兩個(gè)協(xié)議。UDP負(fù)責(zé)提供高效率的服務(wù)，用于傳送少量的報(bào)文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應(yīng)用程序需自己完成可靠性操作;TCP負(fù)責(zé)提供高可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，主要用于傳送大量報(bào)文，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)為粗同軸電纜、細(xì)同軸電纜、雙絞線、光纖等，其最大優(yōu)點(diǎn)是簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶歡迎。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn): （1）兼容性好，有廣泛的技術(shù)支持 基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問題，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，如VB、Java、VC等。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展。 （2）易于與Internet連接 以太網(wǎng)支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠在任何地方通過Internet對企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，能便捷地訪問遠(yuǎn)程系統(tǒng)，共享/訪問多數(shù)據(jù)庫。 （3）成本低廉 采用以太網(wǎng)能降低成本，包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用及初期投資。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，硬件價(jià)格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有現(xiàn)場總線的十幾分之一，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。人們對以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗(yàn)，對其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，在技術(shù)升級方面無需單獨(dú)的研究投入，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。 （4）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ? 由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)投入。并且，在信息瞬息萬變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。 （5）通信速率高 目前以太網(wǎng)的通信速率為10M或100M，1000M、10G的快速以太網(wǎng)也開始應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多，以太網(wǎng)可以滿足對帶寬的更高要求。 4 以太網(wǎng)應(yīng)用于控制時(shí)存在的問題 但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò)，要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問題，主要有以下幾個(gè)方面。 （1）存在實(shí)時(shí)性差，不確定性的問題 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用BEB（BinaryExponentialBack-off）算法處理沖突，具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)。通信時(shí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無法保證確定的排隊(duì)延遲和通信響應(yīng)確定性，不能滿足工業(yè)過程控制在實(shí)時(shí)性上的要求，甚至在通信繁忙時(shí)，還存在信息丟失的危險(xiǎn)，從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。 （2）工業(yè)可靠性問題 以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強(qiáng)電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車間底層應(yīng)用，必須要解決可靠性的問題。 （3）以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜 工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時(shí)總線供電還能減少線纜，降低布線成本。 （4）以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng) （5）安全性問題 以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會(huì)受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。沒有授權(quán)的用戶可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理，但針對工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究。 （6）現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問題 上述這些問題中，實(shí)時(shí)性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。 5 工業(yè)以太網(wǎng) 一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)是專門為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和商用計(jì)算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，需達(dá)到以下幾個(gè)方面的要求。 （1）適應(yīng)性 包括機(jī)械特性（耐振動(dòng)、耐沖擊）、環(huán)境特性（工作溫度要求為-40～+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。 （2）可靠性 由于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。 （3）本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù) 對應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型兩類。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、造價(jià)低;可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5Ｖ工作電源），因此低功耗的現(xiàn)場設(shè)備（如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。因此，在目前的技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。 （4）安裝方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。 6 提高以太網(wǎng)實(shí)用性的方法 隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍，再借助于相關(guān)技術(shù)，可以從總體上提高以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的實(shí)用性。 6.1采用交換技術(shù) 傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器，其結(jié)構(gòu)和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器，連接到共享式集線器上的所有站點(diǎn)共享一個(gè)帶寬，遵循CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認(rèn)為是一個(gè)受控的多端口開關(guān)矩陣，各個(gè)端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供了一個(gè)直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接。不同端口可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現(xiàn)代交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交換機(jī)端口內(nèi)部之間的傳輸速率比整個(gè)設(shè)備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大，因而減少以太網(wǎng)的沖突率，并為沖突數(shù)據(jù)提供緩存。 當(dāng)然交換機(jī)的工作方式必須是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，這樣在系統(tǒng)中只有點(diǎn)對點(diǎn)的連接，不會(huì)出現(xiàn)碰撞。多個(gè)交換把整個(gè)以太網(wǎng)分解成許多獨(dú)立的區(qū)域，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)站點(diǎn)的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和確定性。 交換式以太網(wǎng)沒有更改原有的以太網(wǎng)協(xié)議，可直接使用普通的以太網(wǎng)卡，大大降低了組網(wǎng)的成本，并從根本上解決了以太網(wǎng)通信傳輸延遲存在不確定性的問題。研究表明，通信負(fù)荷在10％以下時(shí)，以太網(wǎng)因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計(jì)。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，傳輸?shù)男畔⒍酁橹芷谛詼y量和控制數(shù)據(jù)，報(bào)文小，信息量少，傳輸?shù)男畔㈤L度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測量值、控制量、開關(guān)與閥門的工作位置、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個(gè)字節(jié)，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺Ｑ芯勘砻?，在擁?000個(gè)I/O的典型工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信負(fù)荷為10M以太網(wǎng)的5%左右，即使有操作員信息傳輸（如設(shè)定值的改變，用戶應(yīng)用程序的下載等），10M以太網(wǎng)的負(fù)荷也完全可以保持在10%以下。 6.2采用高速以太網(wǎng) 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)（100M）和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國際標(biāo)準(zhǔn)，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過提高通信速度，結(jié)合交換技術(shù)，可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。 6.3采用全雙工通信模式 交換式以太網(wǎng)中一個(gè)端口是一個(gè)沖突域，在半雙工情況下仍不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個(gè)站點(diǎn)可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù)，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通信技術(shù)可以使設(shè)備端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復(fù)存在。對于緊急事務(wù)信息，則可以根據(jù)IEEE802.3p&q，應(yīng)用報(bào)文優(yōu)先級技術(shù)，使優(yōu)先級高的報(bào)文先進(jìn)入排隊(duì)系統(tǒng)先接受服務(wù)。通過這種優(yōu)先級排序，使工業(yè)現(xiàn)場中的緊急事務(wù)信息能夠及時(shí)成功地傳送到中央控制系統(tǒng)，以便得到及時(shí)處理。 6.4采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù) 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的許多固有觀念，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更靈活、方便。實(shí)際上，VLAN就是一個(gè)廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個(gè)邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機(jī)的每一個(gè)端口只能標(biāo)記一個(gè)VLAN，同一個(gè)VLAN中的所有站點(diǎn)擁有一個(gè)廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。工業(yè)過程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開來，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開放平臺(tái)上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區(qū)分開，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和簡化網(wǎng)絡(luò)管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有靜態(tài)端口分配、動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡(luò)管理人員利用網(wǎng)管軟件或設(shè)備交換機(jī)的端口，使其直接從屬某個(gè)虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設(shè)置;動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動(dòng)確定它們的從屬;多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個(gè)用戶或一個(gè)端口同時(shí)訪問多個(gè)虛擬網(wǎng)，這樣可以將一臺(tái)控制層計(jì)算機(jī)配置成多個(gè)部門可以同時(shí)訪問，也可以同時(shí)訪問多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源。 6.5引入質(zhì)量服務(wù)（QoS） IPQoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量（qualityofservice），亦即IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。QoS有一套度量指標(biāo)，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分實(shí)時(shí)-非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以識(shí)別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，并對它們優(yōu)先處理，在響應(yīng)延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級等方面，使工業(yè)以太網(wǎng)滿足工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制要求。另外，QoS網(wǎng)絡(luò)還可以制止對網(wǎng)絡(luò)的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元的終端等。 此外，還出現(xiàn)了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議的改進(jìn)。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡(luò)，不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本，以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業(yè)協(xié)議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協(xié)議的應(yīng)用層移植到TCP。FF制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議HSE提供了發(fā)布方/定購方、對象等模型，主要用于工程控制領(lǐng)域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司發(fā)布的Modbus/TCP協(xié)議將Modbus協(xié)議捆綁在TCP協(xié)議上，易于實(shí)施，能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。 為了提高實(shí)時(shí)性，以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進(jìn)。一種完全基于軟件的協(xié)議RETHER（RealTimeEthernet）可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件的情況下確保實(shí)時(shí)性，它采用一種混合操作模式，能減少對網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響;非競爭的容許控制機(jī)制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節(jié)點(diǎn)故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以CSMA和RETHER兩種模式運(yùn)行。在實(shí)時(shí)對話期間，網(wǎng)絡(luò)將透明地轉(zhuǎn)換到RETHER模式，實(shí)時(shí)對話結(jié)束后又重新回到CSMA模式。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫RTCC（RealTimeCommunicationControl），為分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。RTCC是加在Ethernet之上的一層協(xié)議，能提供高速、可靠、實(shí)時(shí)的通信。它不需要改變現(xiàn)有的硬件設(shè)備，采用命令/響應(yīng)多路傳輸和總線表兩種新穎的機(jī)制來分配信道。所有節(jié)點(diǎn)在RTCC協(xié)議中被分為總線控制器（BC）和遠(yuǎn)程終端（RT）兩類，BC只有一個(gè)，其余都是RT。信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由BC承擔(dān)，訪問仲裁過程和傳輸控制過程都是由BC來實(shí)現(xiàn)的，通過兩個(gè)過程的集成與同步，不僅節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間是確定的，而且節(jié)點(diǎn)使用總線的時(shí)間也可控。在10Mbps以太網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)表明，RTCC有令人滿意的確定性。第三種改進(jìn)實(shí)時(shí)性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與EthernetMAC之間加一個(gè)流量平衡器。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。在本地節(jié)點(diǎn)，它給予實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包以優(yōu)先權(quán)來消除實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息的競爭，同時(shí)平衡非實(shí)時(shí)信息，以減少與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息之間的沖突。為了保證非實(shí)時(shí)信息的吞吐量，流量平衡器還能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況調(diào)整數(shù)據(jù)流產(chǎn)生率。這種方法不需要對現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)EthernetMAC協(xié)議和TCP或UDP/IP作任何改動(dòng)。 因此，針對以太網(wǎng)排隊(duì)延遲的不確定性，通過采用適當(dāng)?shù)牧髁靠刂啤⒔粨Q技術(shù)、全雙工通信技術(shù)、信息優(yōu)先級等來提高實(shí)時(shí)性，并改進(jìn)了容錯(cuò)技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)以及冗余結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，20世紀(jì)90年代中后期，國內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)，推出了基于以太網(wǎng)的DCS、PLC、數(shù)據(jù)采集器，以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀表、顯示儀表等產(chǎn)品。 隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的日趨成熟，在工業(yè)通信和自動(dòng)化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段，向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放性方向發(fā)展將是各種控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛、成長最快的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時(shí)，基于IP的全程一體化尋址，為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn)、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。