1 引言

需求的轉變產生工業以太網。在大型控制系統中，大多采用專門為控制系統而設計的實時控制網絡，稱為現場總線系統（FCS）。FCS是順應智能現場儀表而發展起來的，它的初衷是用數字通訊代替4～20mA模擬傳輸技術，但隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態、診斷、報警、記錄）的發展，使FCS在控制領域內引起了一場前所未有的革命。

在過去的十幾年間，在工廠自動化和過程自動化領域中，FCS是現場級通信系統中的主流解決方案。不過，隨著技術的不斷進步和發展，傳統現場總線越來越多地表現出了其本身的局限性。一方面，隨著現場設備智能程度的不斷提高，控制變得越來越分散，分布在工廠各處的智能設備之間以及智能設備和工廠控制層之間需要連續地交換控制數據，這使得現場設備之間數據的交換量飛速增長；另一方面，隨著計算機技術的發展，企業希望能夠將底層的生產信息整合到統一的全廠信息管理系統中，于是，企業的信息管理系統需要讀取現場的生產數據，并通過工業通信網絡實現遠程服務和維護，因此，縱向一致性也成為熱門的話題，用戶希望管理層和現場級能夠使用統一的、與辦公自動化技術兼容的通信方案，這樣可以大大簡化工廠控制系統的結構，節約系統實施和維護的成本。

基于這樣的需求，以太網技術（Ethernet）開始逐漸從工廠和企業的信息管理層向底層滲透，以太網技術開始應用于工廠的控制級通信。以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡互聯協議，所以在商業系統中被廣泛采用。但是傳統以太網是為面向辦公自動化等實時性要求不高的領域而設計的，它采用總線式拓撲結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表明：商業以太網在工業應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網的研究具有工程實用價值，從而產生了一種新型以太網——工業以太網。

2 工業以太網的技術特點

工業以太網，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性甚至本質安全等方面能滿足工業現場的需要。

2.1 實時性和確定性

隨著快速以太網與交換式以太網技術的發展，給解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應用成為可能。首先，以太網的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降。其次，采用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。以太網交換機由于具有數據存儲、轉發的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生碰撞；同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發送報文幀，也不會發生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網絡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），因此使以太網通信確定性和實時性大大提高。

2.2 穩定性和可靠性

以太網進入工業控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，而未針對較惡劣的工業現場環境來設計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網絡產品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業現場環境中。

隨著網絡技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業應用領域，在極端條件下網絡也能穩定工作的問題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發和生產了機架導軌式集線器、交換機產品，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月推出工業以太網產品—MOXA EtherDevice Server（工業以太網設備服務器），特別設計用于連接工業應用中具有以太網絡接口的工業設備（如 PLC、HMI、DCS系統等）。

最近剛剛發布的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以此提高網絡的抗干擾能力和可靠性。

2.3 工業以太網協議

由于工業自動化網絡控制系統不單單是一個完成數據傳輸的通信系統，而且還是一個借助網絡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，由多個網絡節點協調完成自控任務。因而它需要在應用、用戶等高層協議與規范上滿足開放系統的要求，滿足互操作條件。

對應于ISO/OSI七層通信模型，以太網技術規范只映射為其中的物理層和數據鏈路層，而在其之上的網絡層和傳輸層協議，目前以TCP/IP（傳輸控制/網間）協議為主（已成為以太網之上傳輸層和網絡層“事實上的”標準）。而對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有作技術規定。目前商用計算機設備之間是通過FTP（文件傳送協議）、Telnet（遠程登錄協議）、SMTP（簡單郵件傳送協議）、HTTP（WWW協議）、SNMP（簡單網絡管理協議）等應用層協議進行信息透明訪問的，它們如今在互聯網上發揮了非常重要的作用。但這些協議所定義的數據結構等特性不適合應用于工業過程控制領域現場設備之間的實時通信。

為滿足工業現場控制系統的應用要求,必須在Ethernet+TCP/IP協議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協調好工業現場控制系統中實時和非實時信息的傳輸服務，形成為廣大工控生產廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協議，進而形成開放的標準。為此，各現場總線組織紛紛將以太網引入其現場總線體系中的高速部分，利用以太網和TCP/IP技術，以及原有的低速現場總線應用層協議，從而構成了工業以太網協議。

3 基于TCP/IP的以太網在工業控制領域的應用