前言

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)。隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化要求的不斷提高，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所擔負的工作越來越重。與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)不同，工業(yè)控制領(lǐng)域需要一種高速廉價、實時性和開放性好、穩(wěn)定性和準確性高的網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)性能要求越來越高，以太網(wǎng)正逐步進入工業(yè)控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)的開放性使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是伴隨著控制系統(tǒng)的變革而發(fā)展起來的。控制系統(tǒng)經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和近幾年流行起來的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)等六個階段。對于基地式氣動儀表控制系統(tǒng)和電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)只是驅(qū)動方式的改變，兩類控制系統(tǒng)只能對單一回路進行控制，而各個回路之間不能夠交換信息，每一個回路是一個獨立的信息孤島，并不屬于網(wǎng)絡(luò)的范疇。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機被引入控制系統(tǒng)，它不僅能夠完成對數(shù)據(jù)的處理操作，更主要的是可以直接根據(jù)輸入的給定值、過程變量和過程中其他的測定值，通過PID或其它高級控制算法，得出它的操作變量即輸出值送給執(zhí)行機構(gòu)完成控制功能。這就是我們所說的計算機集中控制系統(tǒng)（Ccs）的控制思想。集中控制系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單，直接面向控制對象，尚未形成網(wǎng)絡(luò)體系。盡管將計算機引人控制系統(tǒng)使得一些高級控制算法得以實現(xiàn)，然而，隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化，軟件方面需要很大的開銷，并且復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的升級能力較弱；計算機工作是需要集中控制幾十個，甚至上百個回路，這就使得系統(tǒng)的實時性、可靠性得不到保證。

真正意義的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系是七十年代出現(xiàn)的第二代計算機控制系統(tǒng)：分散型控制系統(tǒng)DCS（也稱集散控制系統(tǒng)）。它是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，DCS的特點是”集中管理，分散控制”，這些系統(tǒng)完整地體現(xiàn)了分散化和分層化的思想。目前所使用的DCS有環(huán)形、總線形和分級式幾種。其中分級式應(yīng)用最為普遍，如圖1所示。

圖1 集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

然而，集散控制系統(tǒng)也有其明顯的缺點：

首先，結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系，現(xiàn)場設(shè)備之間相互通信必須經(jīng)過主機，使得主機負荷重、效率低，且主機一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會崩潰；

其次，它還使用大量的模擬信號，很多現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4—20mA電流模擬信號，傳輸可靠性差，不易于數(shù)字化處理；

第三，各系統(tǒng)設(shè)計廠家的DCS制定獨立的標準，通訊協(xié)議不開放，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用，不利于現(xiàn)代跨國公司的進一步發(fā)展。

為了克服DES 系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，進一步滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運而生，它將系統(tǒng)的控制功能進一步下放，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實際上是一種全數(shù)字化、全分散、可互操作、開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。它專門用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)對實現(xiàn)面向設(shè)備自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用。

但是FE也有許多瓶頸問題：

首先，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準種類過多，且各有自己的優(yōu)勢和適用范圍，用戶如何取舍是比較棘手的問題；

其次，控制系統(tǒng)中如果有多種現(xiàn)場總線同時存在，由于總線通信協(xié)議的多樣性。這樣會造成工業(yè)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫集成，真正實現(xiàn)企業(yè)級管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)等變得相對復(fù)雜；

另外在本質(zhì)安全、系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面存在一些技術(shù)瓶頸或不符合現(xiàn)代企業(yè)對信息的要求。事實上，各種控制系統(tǒng)存在缺點的問題最根本原因在于控制系統(tǒng)的開放性差或者開放性是有條件的，不徹底的。為了解決該問題而出現(xiàn)了以TCP／I協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

下面對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進行詳細介紹。

2、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的特點

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)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。以太網(wǎng)進入了控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢

（1）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)；

（2）以太網(wǎng)能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示；

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇；

（4）通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復(fù)雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M 的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。

（5）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代。企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

圖2 傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)存在的一些問題

2.2.1 實時性問題

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實時可定義為系統(tǒng)對某事件的反應(yīng)時間的可測性。也就是說，在一個事件發(fā)生后。系統(tǒng)必須在一個可以準確預(yù)見的時間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十毫秒內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)采用CSMA／CD介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實時的，一條總線上掛多個接點平等競爭總線，當發(fā)生沖突的時候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一旦出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備。人身安全事故。這種方式很難滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崟r性的要求；這也是以太網(wǎng)技術(shù)進入工控領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸o3.2.2 適應(yīng)性與可靠性：

以太網(wǎng)在設(shè)計之初是按辦公環(huán)境設(shè)計的。并不是從工業(yè)網(wǎng)出發(fā)的。當它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，面對惡劣的工況，嚴重的線間干擾等，這些都必然會引起其可靠性降低。而在實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性、以及可維護性。即保證一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時，不會導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)。甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

2.2.3 工業(yè)自動化控制的應(yīng)用層協(xié)議

目前信息網(wǎng)絡(luò)中定義的應(yīng)用層協(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)備之間的實時通信。因此，還需定義統(tǒng)一的應(yīng)用層規(guī)范。

2.2.4 本質(zhì)安全和網(wǎng)絡(luò)安全

工業(yè)以太網(wǎng)如果用在易燃易爆的危險工作場所，必須考慮本質(zhì)安全問題。另外，工業(yè)以太網(wǎng)由于使用了TCP／IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

2.3 以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的解決機制

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以上出現(xiàn)的問題已經(jīng)完全或部分得到解決。

2.3.1 交換式以太網(wǎng)技術(shù)

為了改善以太網(wǎng)負載較重時的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，采用全雙工通信，可以完全避免ESMA／CD中的碰撞，并且可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級機制，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實時性能，它完全避免了CSMA／CD、主從、令牌等可能的低效率。

2.3.2 高速抗擾以太網(wǎng)

我們知道當網(wǎng)絡(luò)中的負載越大的時候，發(fā)生沖突的概率也就越大。有資料顯示當一個網(wǎng)絡(luò)的負荷低于36％時，基本上不會發(fā)生沖突。在負荷為1O％以下時，10M 以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。

100M 以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過36％后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的概率是以幾何級數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負荷。幸運的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達100M／s。1G／s的高速以太網(wǎng)。再加上細致全面的設(shè)計及對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的數(shù)量和通信流量進行控制，和工業(yè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商采取了專門的抗干擾措施，使其更加符合工業(yè)需求，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

2.3.3 應(yīng)用層協(xié)議方面

用戶可以根據(jù)需要對TCP／IP協(xié)議棧進行增減，另外還需要制定更加符合工業(yè)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2.3.4 本質(zhì)安全和網(wǎng)絡(luò)安全

設(shè)備生產(chǎn)商提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的器件，使用密封性好，堅固、抗震動的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件用來解決本質(zhì)安全問題；采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理，但針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認真研究。

結(jié)論

綜上所述。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比較具有很大的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在多種工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著集成電路、工業(yè)以太網(wǎng)和嵌人式Internet技術(shù)研究的進一步深入，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時代將會很快到來，并成為最具開放性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這種新型的網(wǎng)絡(luò)體系，與現(xiàn)場總線在以太網(wǎng)方面的發(fā)展相呼應(yīng)，對傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個變革，必將為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來新的天地。但是，在某些領(lǐng)域例如：汽車控制系統(tǒng)、數(shù)控機床等，由于其工作條件惡劣、實時性、可靠性要求高，均不適合工業(yè)以太網(wǎng)。從目前趨勢來看，工業(yè)以太網(wǎng)進入現(xiàn)場控制級毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來，它還難以完全取代現(xiàn)場總線，作為實時控制通信的單一標準，在很長的一段時期內(nèi)已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在，最有可能的情況是發(fā)展一種多種網(wǎng)絡(luò)并存的混合式控制系統(tǒng)。