1、 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
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(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。
EtherNet過(guò)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(kāi)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(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層協(xié)議采用帶碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)（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(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集線(xiàn)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(chǎng)惡劣環(huán)境要求；（3）在工廠(chǎng)環(huán)境中，EtherNet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險(xiǎn)場(chǎng)合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；（4）EtherNet不能通過(guò)信號(hào)線(xiàn)向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電問(wèn)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(wèn)題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決，并使EtherNet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（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(mǎn)足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠快和滿(mǎn)足信號(hào)的確定性。實(shí)時(shí)控制往往要求對(duì)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(mǎn)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(mǎn)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)。
然而，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，EtherNet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。EtherNet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EtherNet通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。
（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(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對(duì)設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠(chǎng)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(wèn)題，德國(guó)Hirschmann等公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電。
（三）安全性
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(wèn)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(guò)程監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)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(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠(chǎng)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(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過(guò)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(xiàn)供電問(wèn)題
總線(xiàn)供電（或稱(chēng)總線(xiàn)饋電）是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線(xiàn)纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(hào)調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端再將這兩路信號(hào)分離開(kāi)來(lái)。
（2）不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，而通過(guò)連接電纜中的空閑線(xiàn)纜為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源。
2、 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)
（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(yǔ)言如Visual C＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
（二）通信速率高
目前，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開(kāi)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(chǎng)總線(xiàn)最高速率只有12Mb/s。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)要快的多，完全可以滿(mǎn)足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)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(chǎng)總線(xiàn)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(hù)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(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)都無(wú)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(hù)在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需獨(dú)自的研究投入，對(duì)于這一點(diǎn)，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)都是無(wú)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(mǎn)足。
3、 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(chǎng)總線(xiàn)相比，它能提供一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，是企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制到管理層實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)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(wèn)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(chǎng)設(shè)備級(jí)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(chǎng)總線(xiàn)能完全滿(mǎn)足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)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(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，通過(guò)通信控制器實(shí)現(xiàn)兩者的信息交換。
（二）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(guò)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(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布和顯示，管理者通過(guò)Web瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)各類(lèi)設(shè)備之間的一個(gè)橋梁。
4、 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與前景
由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前它已經(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)。從目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。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。總的來(lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（一） 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相結(jié)合
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究還只是近幾年才引起國(guó)內(nèi)外工控專(zhuān)家的關(guān)注。而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在技術(shù)上日漸成熟，在市場(chǎng)上也開(kāi)始了全面推廣，并且形成了一定的市場(chǎng)。就目前而言，全面代替現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)還存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。因此，近一段時(shí)間內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：
（1） 物理介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連線(xiàn)，如雙絞線(xiàn)、光纖等；
（2） 使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接設(shè)備（如交換機(jī)等），在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)；
（3） 采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、T
