前言

傳感器技術、通信技術和計算機技術是現代信息技術的三大基礎。隨著IT技術的飛速發展和工業自動化要求的不斷提高，工業控制網絡所擔負的工作越來越重。與數據信息網絡不同，工業控制領域需要一種高速廉價、實時性和開放性好、穩定性和準確性高的網絡。以太網（Ethernet）技術支持幾乎所有的網絡協議，所以在數據信息網絡中得到廣泛應用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設備多等方面的優勢。近些年來，隨著網絡技術的發展和工業控制領域對網絡性能要求越來越高，以太網正逐步進入工業控制領域，形成了新型的以太網控制網絡技術。工業以太網的開放性使得工業控制網絡和企業信息網絡的無縫整合方面具有無可比擬的優勢。

1、工業控制網絡的發展

工業控制網絡的發展是伴隨著控制系統的變革而發展起來的。控制系統經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統、現場總線控制系統和近幾年流行起來的工業以太網控制系統等六個階段。對于基地式氣動儀表控制系統和電動單元組合式模擬儀表控制系統只是驅動方式的改變，兩類控制系統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，并不屬于網絡的范疇。

隨著計算機技術的發展，計算機被引入控制系統，它不僅能夠完成對數據的處理操作，更主要的是可以直接根據輸入的給定值、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行機構完成控制功能。這就是我們所說的計算機集中控制系統（Ccs）的控制思想。集中控制系統由于其結構簡單，直接面向控制對象，尚未形成網絡體系。盡管將計算機引人控制系統使得一些高級控制算法得以實現，然而，隨著生產過程的復雜化，軟件方面需要很大的開銷，并且復雜的軟件結構使系統的升級能力較弱；計算機工作是需要集中控制幾十個，甚至上百個回路，這就使得系統的實時性、可靠性得不到保證。

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

圖1 集散控制系統和現場總線控制系統

然而，集散控制系統也有其明顯的缺點：

首先，結構是多級主從關系，現場設備之間相互通信必須經過主機，使得主機負荷重、效率低，且主機一旦發生故障，整個系統就會崩潰；

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

第三，各系統設計廠家的DCS制定獨立的標準，通訊協議不開放，極大的制約了系統的集成與應用，不利于現代跨國公司的進一步發展。

為了克服DES 系統的技術瓶頸，進一步滿足工業現場的需要，現場總線技術應運而生，它將系統的控制功能進一步下放，現場總線網絡實際上是一種全數字化、全分散、可互操作、開放式的互聯網絡。它專門用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互聯，是現場通信網絡和控制系統的集成，現場總線的出現對實現面向設備自動化系統起到了巨大的推動作用。

但是FE也有許多瓶頸問題：

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

其次，控制系統中如果有多種現場總線同時存在，由于總線通信協議的多樣性。這樣會造成工業控制系統與數據信息網絡實現無縫集成，真正實現企業級管控一體化，系統功能組態等變得相對復雜；

另外在本質安全、系統可靠性、數據傳輸速度等方面存在一些技術瓶頸或不符合現代企業對信息的要求。事實上，各種控制系統存在缺點的問題最根本原因在于控制系統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了以TCP／I協議為基礎的工業以太網技術。

下面對工業以太網技術進行詳細介紹。

2、工業以太網技術的特點

以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業系統中被廣泛采用。近些年來，隨著網絡技術的發展。以太網進入了控制領域，形成了新型的以太網控制網絡技術。這主要是由于工業自動化系統向分布化、智能化控制方面發展，開放的、透明的通訊協議是必然的要求。

2.1 工業以太網的技術優勢

（1）Ethernet是全開放、全數字化的網絡，遵照網絡協議不同廠商的設備可以很容易實現互聯；

（2）以太網能實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接，形成企業級管控一體化的全開放網絡，如圖2所示；

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網技術已經非常成熟，支持以太網的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發環境和硬件設備供用戶選擇；

（4）通信速率高，隨著企業信息系統規模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數據的傳輸，目前以太網的通信速率為10M、100M 的快速以太網開始廣泛應用，千兆以太網技術也逐漸成熟，10G以太網也正在研究，其速率比目前的現場總線快很多。

（5）可持續發展潛力大，在這信息瞬息萬變的時代。企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續向前發展。

圖2 傳統工業控制網絡和工業以太網控制網絡

2.2 工業以太網存在的一些問題

2.2.1 實時性問題

在工業控制系統中，實時可定義為系統對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發生后。系統必須在一個可以準確預見的時間范圍內做出反映。然而，工業上對數據的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數據的更新是在數十毫秒內完成的。而同樣由于以太網采用CSMA／CD介質訪問控制方式，其本質上是非實時的，一條總線上掛多個接點平等競爭總線，當發生沖突的時候，就得重發數據，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。而且一旦出現掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產的停止甚至是設備。人身安全事故。這種方式很難滿足工業控制領域對實時性的要求；這也是以太網技術進入工控領域的技術瓶頸o3.2.2 適應性與可靠性：

以太網在設計之初是按辦公環境設計的。并不是從工業網出發的。當它應用到工業現場，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。而在實際工業生產環境中網絡必須具備較好的可靠性、可恢復性、以及可維護性。即保證一個網絡系統中任何組件發生故障時，不會導致應用程序，操作系統。甚至網絡系統的崩潰和癱瘓。

2.2.3 工業自動化控制的應用層協議

目前信息網絡中定義的應用層協議所定義的數據結構等特性不適合應用于工業過程控制領域現場設備之間的實時通信。因此，還需定義統一的應用層規范。

2.2.4 本質安全和網絡安全

工業以太網如果用在易燃易爆的危險工作場所，必須考慮本質安全問題。另外，工業以太網由于使用了TCP／IP協議，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絡安全威脅。

2.3 以太網工業應用的解決機制

隨著網絡技術的不斷發展，以上出現的問題已經完全或部分得到解決。

2.3.1 交換式以太網技術

為了改善以太網負載較重時的網絡擁塞問題，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優先級機制，保證網絡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

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

100M 以太網沖突機率為每15年一次。但超過36％后隨著負荷的增加發生沖突的概率是以幾何級數的速度增加的。顯然提高以太網的通信速度，就可以有效降低網絡的負荷。幸運的是現在以太網已經出現通信速率達100M／s。1G／s的高速以太網。再加上細致全面的設計及對系統中的網絡結點的數量和通信流量進行控制，和工業環境網絡設備生產廠商采取了專門的抗干擾措施，使其更加符合工業需求，完全可以采用以太網作為工業網絡。

2.3.3 應用層協議方面

用戶可以根據需要對TCP／IP協議棧進行增減，另外還需要制定更加符合工業要求的網絡協議。

2.3.4 本質安全和網絡安全

設備生產商提供適應工業環境的器件，使用密封性好，堅固、抗震動的以太網設備與連接件用來解決本質安全問題；采用用戶密碼、數據加密、防火墻等多種安全機制加強網絡的安全管理，但針對工業自動化控制網絡安全問題的解決方案還需要認真研究。

結論

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