以太網(wǎng)

　　以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox,、Intel和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范,，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類(lèi)型的電纜上,。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相類(lèi)似。

　　IEEE802.3規(guī)定了包括物理層的連線(xiàn),、電信號(hào)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容,。以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),。如令牌環(huán),、FDDI和ARCNET。歷經(jīng)100M以太網(wǎng)在上世紀(jì)末的飛速發(fā)展后,，千兆以太網(wǎng)甚至10G以太網(wǎng)正在國(guó)際組織和領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)的推動(dòng)下不斷拓展應(yīng)用范圍,。

　　常見(jiàn)的802.3應(yīng)用為：

　　10M： 10base-T （銅線(xiàn)UTP模式）

　　100M： 100base-TX （銅線(xiàn)UTP模式）

　　100base-FX（光纖線(xiàn)）

　　1000M： 1000base-T（銅線(xiàn)UTP模式）

　　工業(yè)以太網(wǎng)

　　一般來(lái)講，工業(yè)以太網(wǎng)是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng),。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容,，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和商用計(jì)算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要,，需達(dá)到以下幾個(gè)方面的要求,。

　　（1） 適應(yīng)性

　　包括機(jī)械特性（耐振動(dòng),、耐沖擊）,、環(huán)境特性（工作溫度要求為-40~+85℃，并耐腐蝕,、防塵,、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2,、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn),。

　　（2） 可靠性

　　由于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求,。

　?。?） 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)

　　對(duì)應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備以及通信設(shè)備,，都必須采取一定的防爆措施來(lái)保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型（如增安、氣密,、澆封等）和本質(zhì)安全型兩類(lèi),。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段,，可以帶來(lái)以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、體積小、重量輕,、造價(jià)低,；可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換；安全可靠性高,；適用范圍廣,。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大,，一般都在六七十mA（5V工作電源）,，因此低功耗的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn),。因此,，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行,。另一方面,，對(duì)于沒(méi)有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場(chǎng)合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施,。

　?。?） 安裝方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求,，如采用DIN導(dǎo)軌安裝,。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

　　由于以太網(wǎng)無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)，將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域正成為人們關(guān)注的熱點(diǎn),。介紹了企業(yè)信息化系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu),，分析了以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域要解決的一些問(wèn)題，展示了以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀,，并展望其發(fā)展前景,。

　　在工業(yè)生產(chǎn)中,，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，實(shí)際應(yīng)用對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,。在20世紀(jì)50～60年代,，以模擬信號(hào)為主的電子裝置和自動(dòng)化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨后是在70～80年代,，集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）的出現(xiàn),，把大量分散的單回路測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表,，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)回路調(diào)節(jié),、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種功能,，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制技術(shù)的飛躍。

　　DCS一般由操作站級(jí),、過(guò)程控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)儀表三級(jí)組成,，其特點(diǎn)是“集中管理，分散控制”,，基本控制功能在過(guò)程控制級(jí)中,，工作站級(jí)的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個(gè)局部的不可靠而造成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的損害降到較低的程度,，且各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,，因而迅速成為工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流,。但DCS的結(jié)構(gòu)是多級(jí)主從關(guān)系，底層相互間進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過(guò)主機(jī),，從而造成主機(jī)負(fù)荷過(guò)重,，效率低下，并且主機(jī)一旦發(fā)生故障,，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)“癱瘓”,。而且DCS是一種數(shù)字—模擬混合系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然使用傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào),，工程與管理成本高,，柔性差。此外各制造商的DCS自成標(biāo)準(zhǔn),，通訊協(xié)議封閉,，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用。

　　進(jìn)入90年代,，具有數(shù)字化的通信方式,、全分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、高度的環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）技術(shù)迅速崛起并趨向成熟,，控制功能全面轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，而在此基礎(chǔ)上形成的新的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）綜合了數(shù)字通信技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù),、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段,，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字—模擬信號(hào)控制的局限性,，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化,、智能化,、雙向、互連,、多變量,、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化,。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層,、控制層和信息層。采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)使控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為可能,，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不僅是通信標(biāo)準(zhǔn),，同時(shí)也是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。FCS正在走向取代DCS并推動(dòng)著工業(yè)控制技術(shù)的又一次飛躍,。

　　以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制時(shí)存在的問(wèn)題

　　傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò),，要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面,。

　?。?） 存在實(shí)時(shí)性差，不確定性的問(wèn)題

　　傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制,，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用BEB（Binary ExponenTIal Back-off）算法處理沖突,，具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)取得信息包的發(fā)送權(quán),。通信時(shí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)信道,，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待,。信息開(kāi)始發(fā)送后,，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞,，需退出重發(fā),，因此無(wú)法保證確定的排隊(duì)延遲和通信響應(yīng)確定性,，不能滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制在實(shí)時(shí)性上的要求，甚至在通信繁忙時(shí),，還存在信息丟失的危險(xiǎn),，從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

　?。?） 工業(yè)可靠性問(wèn)題

　　以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的,，并沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要，如超高或超低的工作溫度,，大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強(qiáng)電磁噪聲等,。以太網(wǎng)如在車(chē)間底層應(yīng)用，必須要解決可靠性的問(wèn)題,。

　?。?） 以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息,，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳輸工作供給電源,。這主要是從線(xiàn)纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時(shí)總線(xiàn)供電還能減少線(xiàn)纜,，降低布線(xiàn)成本,。

　　（4） 以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)

　?。?） 安全性問(wèn)題

　　以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議,，因此可能會(huì)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,。沒(méi)有授權(quán)的用戶(hù)可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層,，造成安全漏洞。對(duì)此,，一般可采用用戶(hù)密碼、數(shù)據(jù)加密,、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理,，但針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的解決方案還需要認(rèn)真研究。

　?。?） 現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問(wèn)題

　　上述這些問(wèn)題中,，實(shí)時(shí)性、確定性及可靠性問(wèn)題是長(zhǎng)期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙,。為了解決這一問(wèn)題,，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。

　　結(jié)論

　　以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的新趨勢(shì),，在工業(yè)通信和自動(dòng)化系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用,，其優(yōu)越的性能,，為您的應(yīng)用帶來(lái)巨大的利益：通過(guò)簡(jiǎn)單的連接方式快速裝配。通過(guò)不斷的開(kāi)發(fā)提供了持續(xù)的兼容性,，因而保證了投資的安全,。通過(guò)交換技術(shù)提供實(shí)際上沒(méi)有限制的通訊性能。各種各樣聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,，例如辦公室環(huán)境和生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境的聯(lián)網(wǎng),。

　　在工業(yè)通信和自動(dòng)化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段，向網(wǎng)絡(luò)化,、標(biāo)準(zhǔn)化,、開(kāi)放性方向發(fā)展，將是各種工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流,。市場(chǎng)占有率高達(dá)80%,，

　　以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛、成長(zhǎng)最快的局域網(wǎng)技術(shù),，在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展,。同時(shí)，基于IP的全程一體化尋址,，為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn),、共享、高速的信息化通道解決方案,，也必將對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,。