工业以太网在工业自动化系统中应用及前景

1、 工业以太网技术发展现状

　　工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。
　　
　　EtherNet过去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT领域应用而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，这是由于：（1）EtherNet的介质访问控制（MAC）层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；（3）在工厂环境中，EtherNet抗干扰（EMI）性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；（4）EtherNet不能通过信号线向现场设备供电问题。
　　
　　随着互联网技术的发展与普及推广，EtherNet传输速率的提高和EtherNet交换技术的发展，上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决，并使EtherNet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：

（一）通信确定性与实时性

　　工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于EtherNet采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。
　　
　　然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，EtherNet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。EtherNet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使EtherNet通信确定性和实时性大大提高。

（二）稳定性与可靠性

　　传统的EtherNet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。
　　
　　为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，德国Hirschmann等公司专门开发和生产了工业以太网交换机等产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电。
　
（三）安全性

　　工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。但同时也引人了一系列的网络安全向题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
　　
（四）总线供电问题

　　总线供电（或称总线馈电）是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现场设备供电可以采取以下方法：
　　
　　（1）在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。
　　
　　（2）不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。

2、 工业以太网的优势

　　（一）应用广泛

　　以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。
　　
（二）通信速率高

　　目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
　　
（三）成本低廉

　　以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多（约为1/10）；另外，以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

　　（四）资源共享能力强

　　随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
　　
（五）可持续发展潜力大

　　以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。
　　
3、 工业以太网在控制领域应用现状

　　工业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的“自动化孤岛”问题，但从目前的发展看，工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式。
　　
　　（一）混合EtherNet/Fieldbus的网络结构
　　
　　这种结构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式。以太网正在逐步向现场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合，但以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不成熟，而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统。因此，在企业信息层采用以太网，而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现两者的信息交换。
　　
　　（二）基于Web的网络监控平台
　　
　　嵌人式以太网是最近网络应用热点，就是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通，从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。在企业内部，可以利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。实现的最简单办法就是采用独立的以太网控制器，连接具有TCP/IP界面的控制主机以及具有RS-232或RS-4.85接口的现场设备。以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁。
　
4、 工业以太网技术的发展趋势与前景

　　由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：
　　
（一） 工业以太网与现场总线相结合

　　工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：
　　
　　（1） 物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；
　　
　　（2） 使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；
　　
　　（3） 采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、T