1 引言
以太網(wǎng)技術(shù)由于具有成本低、通信速率和帶寬高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的技術(shù)支持基礎(chǔ)和強(qiáng)大的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ戎T多優(yōu)點(diǎn)，在過程控制領(lǐng)域的管理層已被廣泛應(yīng)用。事實(shí)證明，通過一些實(shí)時(shí)通信增強(qiáng)措施及工業(yè)應(yīng)用高可靠性網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，并可直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信。工業(yè)以太網(wǎng)一般是指在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性等方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，也就是滿足環(huán)境性、可靠性、安全性以及安裝方便等要求的以太網(wǎng)。以太網(wǎng)是按IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問方法（CSMA／CD）對(duì)共享媒體進(jìn)行訪問的一種局域網(wǎng)。其協(xié)議對(duì)應(yīng)于ISO／OSI七層參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)為同軸電纜、雙絞線、光纖等，采用總線型或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mbps，100Mbps，1000Mbps或更高。在辦公和商業(yè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)是最常用的通信網(wǎng)絡(luò)，近幾年來(lái)，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)已開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，它是現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是下一代自動(dòng)化設(shè)備的標(biāo)志性技術(shù)，是改造傳統(tǒng)工業(yè)的有力工具，同時(shí)也是信息化帶動(dòng)工業(yè)化的重點(diǎn)方向。國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求日益增加，在石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、交通、建材、樓宇管理、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域和許多新規(guī)劃建設(shè)的項(xiàng)目中都需要工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。
2 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)
20世紀(jì)80年代中期產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)總線，將智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)連接，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展成為可能，使工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC—61158經(jīng)過多年的爭(zhēng)論和斗爭(zhēng)后，放棄了其制定單一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的初衷，最終發(fā)布了包括8種（第三版修訂后增加了兩種類型，而成為10種類型）類型總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這說明各大總線各具特點(diǎn)、不可互相替代的局面得到世界工控界的認(rèn)可。但另一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，廣大工控專家、制造商和用戶也逐漸認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)場(chǎng)總線之所以沒有能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，除了它們的技術(shù)特色和背后支持的公司間的利益沖突外，還因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展過程中，過多地強(qiáng)調(diào)了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的特殊性，忽視了信息技術(shù)的發(fā)展成果，致使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用發(fā)展緩慢。與此同時(shí)，壟斷了辦公自動(dòng)化領(lǐng)域信息網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)技術(shù)，由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是大型跨國(guó)企業(yè)還是中小型自動(dòng)化企業(yè)，都在過程控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上層得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，被控對(duì)象、測(cè)控裝置等物理設(shè)備地域分散性也越來(lái)越明顯，集中控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足發(fā)展的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC—61158出臺(tái)，實(shí)質(zhì)上并沒有真正統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，世界各大工控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，于是目前在信息網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)成為首先選取的目標(biāo)。
以太網(wǎng)是當(dāng)今最流行、應(yīng)用最廣泛的通信技術(shù)，具有價(jià)格低、多種傳輸介質(zhì)可選、高速度、易于組網(wǎng)應(yīng)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)最為豐富，擁有大量安裝維護(hù)人員，是一種理想的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。首先，基于TCP／IP的以太網(wǎng)是一種開放式通信網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作等問題；其次，低成本、易于組網(wǎng)是以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。以太網(wǎng)網(wǎng)卡價(jià)格低廉，以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等接口十分方便。以太網(wǎng)技術(shù)人員多，可以降低企業(yè)培訓(xùn)維護(hù)成本；第三，以太網(wǎng)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率可以提供足夠的帶寬。而且以太網(wǎng)資源共享能力強(qiáng)，利用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)的總線，很容易將I／O數(shù)據(jù)連接到信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)很容易以實(shí)時(shí)方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)共享；第四，以太網(wǎng)易與Internet連接。在任何城市、任何地方甚至都可以利用電話線通過Internet對(duì)企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)視控制；另外，以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到了廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，有多種開發(fā)工具可供選擇。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化辦公信息網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，企業(yè)綜合自動(dòng)化、管控一體化已成為企業(yè)生存和發(fā)展的必尤之路。以太網(wǎng)可方便實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接的優(yōu)勢(shì)，可以使電子商務(wù)與工業(yè)生產(chǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的企業(yè)管控一體化。
3 以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問題
3.1信息傳輸存在實(shí)時(shí)性差和不確定性
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求具有比較高的實(shí)時(shí)性和確定性。而以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA／CD）以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB），因此必導(dǎo)致信息傳送的滯后，因其時(shí)間滯后是隨機(jī)的，這說明實(shí)質(zhì)上以太網(wǎng)是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過程會(huì)存在產(chǎn)生碰撞的可能性，造成響應(yīng)時(shí)間的不確定性，使信息不能按要求正常傳遞，無(wú)法滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所要求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性。
3.2以太網(wǎng)的可靠性差
安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備應(yīng)該具有高可靠性，即能夠抗沖擊、耐振動(dòng)、耐腐蝕、防塵、防水以及具有比較好的電磁兼容性。而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要應(yīng)用于辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，其所用插接件、集線器、交換機(jī)和電纜等都是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，抗干擾能力差，難以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境要求。
3.3缺乏應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議
以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了ISO／OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，即使再加上TCP／IP協(xié)議也只是提供了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能。兩個(gè)設(shè)備要想正常通信必須使用相同的語(yǔ)言規(guī)則，也就是說還必須有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議。目前，商用計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域采用的應(yīng)用層協(xié)議主要是FTP（文件傳輸協(xié)議），Telnet（遠(yuǎn)程登陸協(xié)議），SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議），HTTP（超文本傳輸協(xié)議）等。這些協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不符合工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信要求。因此，必須制定統(tǒng)一的適用于控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。<br/
