1 引言

需求的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生工業(yè)以太網(wǎng)。在大型控制系統(tǒng)中，大多采用專門為控制系統(tǒng)而設(shè)計的實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)，稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）。FCS是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的，它的初衷是用數(shù)字通訊代替4～20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，使FCS在控制領(lǐng)域內(nèi)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(lǐng)域中，F(xiàn)CS是現(xiàn)場級通信系統(tǒng)中的主流解決方案。不過，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線越來越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一方面，隨著現(xiàn)場設(shè)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(shè)備之間以及智能設(shè)備和工廠控制層之間需要連續(xù)地交換控制數(shù)據(jù)，這使得現(xiàn)場設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換量飛速增長；另一方面，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)希望能夠?qū)⒌讓拥纳a(chǎn)信息整合到統(tǒng)一的全廠信息管理系統(tǒng)中，于是，企業(yè)的信息管理系統(tǒng)需要讀取現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)和維護(hù)，因此，縱向一致性也成為熱門的話題，用戶希望管理層和現(xiàn)場級能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動化技術(shù)兼容的通信方案，這樣可以大大簡化工廠控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約系統(tǒng)實(shí)施和維護(hù)的成本。

基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術(shù)（Ethernet）開始逐漸從工廠和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用于工廠的控制級通信。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)是為面向辦公自動化等實(shí)時性要求不高的領(lǐng)域而設(shè)計的，它采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進(jìn)入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)——工業(yè)以太網(wǎng)。

2 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性甚至本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

2.1 實(shí)時性和確定性

隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機(jī)，使這一應(yīng)用成為可能。首先，以太網(wǎng)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)劃分為若干個網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲、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；同時交換機(jī)還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個網(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雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，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），因此使以太網(wǎng)通信確定性和實(shí)時性大大提高。

2.2 穩(wěn)定性和可靠性

以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。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)了機(jī)架導(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)。臺灣四零四科技（Moxa Technologies）在2002年6月推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品—MOXA EtherDevice Server（工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器），特別設(shè)計用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備（如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。

最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn)行了定義。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。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

由于工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計算與操作功能，由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。

對應(yīng)于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP（傳輸控制/網(wǎng)間）協(xié)議為主（已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對較高的層次如會話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計算機(jī)設(shè)備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時通信。

為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求,必須在Ethernet+TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時通信服務(wù)機(jī)制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實(shí)時和非實(shí)時信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。為此，各現(xiàn)場總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場總線應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)成了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

3 基于TCP/IP的以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用