一、引言 工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容。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、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。 Ethernet過去被認(rèn)為是一種“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用，這是由于：（1）Ethernet的介質(zhì)訪問控制（MAC）層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的確定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求；（2）Ethernet所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求；（3）在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險(xiǎn)場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；（4）Ether-net不能通過信號線向現(xiàn)場設(shè)備供電問題。 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決。 二、Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù) （一）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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對實(shí)時(shí)性的要求，即信號傳輸要足夠快和滿足信號的確定性。實(shí)時(shí)控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)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)。 工業(yè)以太網(wǎng)采取了以下措施使得該問題基本得到解決： 1．采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡(luò)帶寬。Ether-net的通信速率從10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。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，從而提高其實(shí)時(shí)性。 2．采用全雙工交換式以太網(wǎng)。用交換技術(shù)替代原有的總線型CSMA/CD技術(shù)，避免了由于多個(gè)站點(diǎn)共享并競爭信道導(dǎo)致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費(fèi)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，提高信道的利用率。 3．降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同，每個(gè)結(jié)點(diǎn)傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量很少，一般為幾個(gè)位或幾個(gè)字節(jié)，而且突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生，因此可以通過限制網(wǎng)段站點(diǎn)數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)流量，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。 4．應(yīng)用報(bào)文優(yōu)先級技術(shù)。在智能交換機(jī)或集線器中，通過設(shè)計(jì)報(bào)文的優(yōu)先級來提高傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。 （二）穩(wěn)定性與可靠性 傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。 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)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann, Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、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)。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，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。 （三）安全性 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。 在目前技術(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，即通過對Ethernet現(xiàn)場設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現(xiàn)場設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。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。 工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個(gè)安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運(yùn)作效率。但同時(shí)也引人了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全向題，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。一般情況下，可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。 （四）總線供電問題 總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。對于現(xiàn)場設(shè)備供電可以采取以下方法： 1．在目前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設(shè)備端再將這兩路信號分離開來。 2．不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設(shè)備提供電源。 三、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應(yīng)用層包括HT-TP、FTP、SNMP等常用協(xié)議，但當(dāng)它用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議，目前還沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，但受到廣泛支持并已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品的有以下凡種主要協(xié)議。 （一）Modbus TCP/IP 該協(xié)議由施耐德公司推出，以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，成為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個(gè)呼叫都要求一個(gè)應(yīng)答，這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus的主/從機(jī)制相互配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性，利用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)頁的形式可以使用戶界面更加友好。利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器便查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行情況。施耐德公司已經(jīng)為Mod-bus注冊了502端口，這樣就可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)嵌人到網(wǎng)頁中，通過在設(shè)備中嵌入Web服務(wù)器，就可以將Web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端。 （二）ProflNet 針對工業(yè)應(yīng)用需求，德國西門子于2001年發(fā)布了該協(xié)議，它是將原有的Profibus與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，形成了ProfiNet的網(wǎng)絡(luò)方案，主要包括：（1）基于組件對象模型（COM）的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)；（2）規(guī)定了ProfiNet現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信；（3）提供了一個(gè)獨(dú)立于制造商，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。 ProfiNet采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP十以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點(diǎn)間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個(gè)代理設(shè)備（proxy）連接到ProfiNet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在Pet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理proxy與ProFiNET上面的COM對象進(jìn)行通信，并通過OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對象間的調(diào)用。 （三）HSE 基金會(huì)現(xiàn)場總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱HSE（High Speed Ethernet）。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE 802．3，TCP/IP協(xié)議族與FF Ill的結(jié)合體。FF現(xiàn)場總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。 HSE技術(shù)的一個(gè)核心部分就是鏈接設(shè)備，它是HSE體系結(jié)構(gòu)將Hl（31.25 kb/s）設(shè)備連接100 Mb/s的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，同時(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)橋功能能夠用于連接多個(gè)H1總線網(wǎng)段，使同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對等通信而無需主機(jī)系統(tǒng)的干涉；網(wǎng)關(guān)功能允許將HSE網(wǎng)絡(luò)連接到其他的工廠控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，HSE鏈接設(shè)備不需要為H1子系統(tǒng)作報(bào)文解釋，而是將來自H1總線網(wǎng)段的報(bào)文數(shù)據(jù)集合起來并且將Hl地址轉(zhuǎn)化為IP地址。 （四）Ethernet/IP Ethernet/IP是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它是由ODVA（Open Devicenet Vendors Asso-cation）和ControlNet International兩大工業(yè)組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet一樣，它們都是基于CIP（Control and Information Proto-Col）協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式（控制）的實(shí)時(shí)I/O信息和顯式信息（包括用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等）的有效傳輸。 Ethernet/IP采用和Devicenet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)議CIP。因此，它們使用相同的對象庫和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。Ethernet/IP采用標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet和TCP/IP技術(shù)傳送CIP通信包，這樣通用且開放的應(yīng)用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的Ethernet和TCP/IP協(xié)議，就構(gòu)成Ethernet/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。 四、工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢 （一）應(yīng)用廣泛 以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言如Visual C＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。 （二）通信速率高 目前，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s（如西門子Profibus-DP）。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求。 （三）成本低廉 以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多（約為1/10）；另外，以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面有很多經(jīng)驗(yàn)，具有相當(dāng)成熟的技術(shù)。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，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。 （四）資源共享能力強(qiáng) 隨著Internet/ Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個(gè)角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。 （五）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ? 以太網(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術(shù)升級方面無需獨(dú)自的研究投人，對于這一點(diǎn)，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法比擬的。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。 五、工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，它能提供一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，是企業(yè)從現(xiàn)場控制到管理層實(shí)現(xiàn)全面的無縫的信息集成，解決了由于協(xié)議上的不同導(dǎo)致的“自動(dòng)化孤島”問題，但從目前的發(fā)展看，工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾種形式。 （一）混合Ethernet/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的一種典型的集成形式。以太網(wǎng)正在逐步向現(xiàn)場設(shè)備級深入發(fā)展，并盡可能的和其他網(wǎng)絡(luò)形式走向融合，但以太網(wǎng)和TCP/IP原本不是面向控制領(lǐng)域的，在體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議規(guī)則、物理介質(zhì)、數(shù)據(jù)、軟件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等諸多方面并不成熟，而現(xiàn)場總線能完全滿足現(xiàn)代企業(yè)對底層控制網(wǎng)絡(luò)的基本要求，實(shí)現(xiàn)真正的全分布式系統(tǒng)。因此，在企業(yè)信息層采用以太網(wǎng)，而在底層設(shè)備級采用現(xiàn)場總線，通過通信控制器實(shí)現(xiàn)兩者的信息交換。 （二）專用工業(yè)以太控制網(wǎng)絡(luò) 如何利用工業(yè)以太網(wǎng)單獨(dú)作為控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向之一，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。如德國Jetter AG公司的新一代控制系統(tǒng)JetWeb，是融現(xiàn)場總線技術(shù)、100Mb/s以太網(wǎng)技術(shù)、CNC技術(shù)、PLC技術(shù)、可視化人機(jī)接口技術(shù)和全球化生產(chǎn)管理技術(shù)為一體的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，同時(shí)具有廣泛的兼容性，可兼容第三方自動(dòng)化控制產(chǎn)品，提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)，是取代所有底層現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是將以太網(wǎng)貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層次，使它成為透明的覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體。它實(shí)現(xiàn)了辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無縫結(jié)合，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單層的扁平結(jié)構(gòu)，其良好的可擴(kuò)展性和互連性，使之成為真正意義上的全開放網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的大統(tǒng)一。 （三）基于Web的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái) 嵌人式以太網(wǎng)是最近網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用熱點(diǎn)，就是通過Internet使所有連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備彼此互通，從計(jì)算機(jī)、PDA、通信設(shè)備到儀器儀表、家用電器等。在企業(yè)內(nèi)部，可以利用企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行工廠實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布和顯示，管理者通過Web瀏覽器對現(xiàn)場工況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試和遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷和處理。實(shí)現(xiàn)的最簡單辦法就是采用獨(dú)立的以太網(wǎng)控制器，連接具有TCP/IP界面的控制主機(jī)以及具有RS-232或RS-4.85接口的現(xiàn)場設(shè)備。以太網(wǎng)控制器在這里扮演了通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場各類設(shè)備之間的一個(gè)橋梁，如臺(tái)灣泓格科技的I-7188EX/EN系列嵌入式控制器。 六、結(jié)束語 以太網(wǎng)有“E網(wǎng)到底”的美譽(yù)，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，被人們認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案。雖然就目前的應(yīng)用而言，工業(yè)以太網(wǎng)還不適合所有的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，并不能全面地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，且由于各大生產(chǎn)廠商的應(yīng)用層協(xié)議的不同，給工業(yè)以太網(wǎng)全面應(yīng)用帶來一定的影響，但是以太網(wǎng)在進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的過程中將逐步成熟，并具有巨大的發(fā)展?jié)摿头浅V闊的前景，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗟氐玫綌U(kuò)展，而且應(yīng)用廣度和深度也將繼續(xù)擴(kuò)大。