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(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,。
2,、現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中的問(wèn)題
2.1標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題有待解決，其中最突出的問(wèn)題就是缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),。2000年初IEC公布的IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),，產(chǎn)生了H1(FF)、ControlNet,、Profibus,、P-Net,、HSE(FF)、SwiftNet,、WorldFIP,、Interbus等8種IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)子集。IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的結(jié)局表明,，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi),，將出現(xiàn)多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面，并導(dǎo)致控制網(wǎng)段的系統(tǒng)集成與信息集成面臨困難,。無(wú)論是最終用戶還是工程集成商也包括制造商,，都在尋求高性能、低成本的解決方案,。8種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線采用不同的通信協(xié)議,，要實(shí)現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域,，如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對(duì)象,，將不同層次的現(xiàn)場(chǎng)總線組合使用，使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場(chǎng)總線,，對(duì)用戶來(lái)說(shuō),，仍然是比較棘手的問(wèn)題。
2.2系統(tǒng)的集成問(wèn)題
在實(shí)際應(yīng)用中,，一個(gè)大的系統(tǒng)很可能采用多種的現(xiàn)場(chǎng)總線,，特別是中國(guó)那些高速成長(zhǎng)的終端用戶，在企業(yè)的不同發(fā)展階段和國(guó)際范圍的跨國(guó)制造裝備采購(gòu)幾乎不可能統(tǒng)一技術(shù)前沿的現(xiàn)場(chǎng)總線,。如何把企業(yè)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與管理層的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫地集成,，從而使整個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)管控一體化，顯得十分關(guān)鍵?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時(shí),，不僅要考慮各現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的距離，還要考慮現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系,、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)情況等,。由于智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能很強(qiáng)，因此許多儀表會(huì)有同樣的功能塊,，組態(tài)時(shí)要仔細(xì)考慮功能塊的選擇,，使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)最小化。同時(shí)通信參數(shù)的組態(tài)也很重要,，要在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡,。
2.3存在技術(shù)瓶頸
現(xiàn)場(chǎng)總線在應(yīng)用中還存在一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)當(dāng)總線電纜斷開(kāi)時(shí),，整個(gè)系統(tǒng)有可能癱瘓,。用戶希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低，但不能崩潰,，這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場(chǎng)總線不能保證,。
(2)本安防爆理論的制約。現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長(zhǎng)度和總線上負(fù)載的數(shù)量,。這就是限制了現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省電纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮,。
(3)系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過(guò)分復(fù)雜。現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)參數(shù)很多,，不容易掌握,，但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞，對(duì)系統(tǒng)性能影響很大,。
因此,，采用一種統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用,，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴(kuò)展性和兼容性的問(wèn)題,，業(yè)內(nèi)人士把目光轉(zhuǎn)移到了在商用局域網(wǎng)中大獲成功的具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、成本低廉,、易于安裝、傳輸速度高,、功耗低,、軟硬件資源豐富、兼容性好,、靈活性高,、易于與Internet集成、支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù),。3,、以太網(wǎng)與TCP/IP
以太網(wǎng)(Ethernet)最早來(lái)源于Xerox公司于1973年建造的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種總線式局域網(wǎng),，以基帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì),，采用CSMA/CD協(xié)議。Xerox公司建造的以太網(wǎng)非常成功,，1980年Xerox,、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1985年,，IEEE802委員會(huì)吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),，并對(duì)其進(jìn)行了修改。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只描述了使用50歐同軸電纜,、數(shù)據(jù)傳輸率為10Mbps的總線局域網(wǎng),，而且以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括ISO數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的全部?jī)?nèi)容;而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)描述了運(yùn)行在各種介質(zhì)上的,、數(shù)據(jù)傳輸率從1Mbps~10Mbps的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)，而且IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)只定義了ISO參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層(即介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC子層)和物理層,，而數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述,。該規(guī)范規(guī)定采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突(碰撞)檢測(cè)CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，信號(hào)以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸,。
按照ISO的OSI七層結(jié)構(gòu),，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng),。以太網(wǎng)在成為數(shù)據(jù)鏈路和物理層的協(xié)議之后,，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來(lái)國(guó)際互連網(wǎng)采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議,，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協(xié)議組放在一起,，稱(chēng)為以太網(wǎng)技術(shù);TCP/IP的簡(jiǎn)單實(shí)用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi),，而且在各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò),、監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開(kāi)始向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)延伸,。如今,，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎(chǔ)的TCP/IP協(xié)議簇,。
在TCP協(xié)議中,，網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議是IP(Internet Protocol)，同時(shí)還提供ARP(Address Resolution Protocol),、RARP(Reverse Address Resolution Protocol),、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等協(xié)議。該層的主要功能包括處理來(lái)自傳輸層的分組發(fā)送請(qǐng)求(即組裝IP數(shù)據(jù)報(bào)并發(fā)往網(wǎng)絡(luò)接口),、處理輸入數(shù)據(jù)報(bào),、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)或從數(shù)據(jù)報(bào)中抽取分組、處理差錯(cuò)與控制報(bào)文(包括處理路由,、流量控制,、擁塞控制等)。
傳輸層的功能是提供應(yīng)用程序間(端到端)的通信服務(wù),，它提供用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)和傳輸控制協(xié)議TCP(Transfer Control Protocol)兩個(gè)協(xié)議,。UDP負(fù)責(zé)提供高效率的服務(wù)，用于傳送少量的報(bào)文,，幾乎不提供可靠性措施,，使用UDP的應(yīng)用程序需自己完成可靠性操作;TCP負(fù)責(zé)提供高可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，主要用于傳送大量報(bào)文，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
以太網(wǎng)支持的傳輸介質(zhì)為粗同軸電纜,、細(xì)同軸電纜,、雙絞線、光纖等,，其最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易為人們所掌握,，所以深受廣大用戶歡迎,。與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：
(1)兼容性好,，有廣泛的技術(shù)支持
基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò),，適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問(wèn)題，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián),，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無(wú)縫集成,。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持,。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā),，如VB、Java,、VC等,。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證多種開(kāi)發(fā)工具,、開(kāi)發(fā)環(huán)境供選擇,。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng),，就可以避免其發(fā)展游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外,，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，共同發(fā)展,，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展,。
(2)易于與Internet連接
以太網(wǎng)支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠在任何地方通過(guò)Internet對(duì)企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控,，能便捷地訪問(wèn)遠(yuǎn)程系統(tǒng),，共享/訪問(wèn)多數(shù)據(jù)庫(kù)。
(3)成本低廉
采用以太網(wǎng)能降低成本,，包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費(fèi)用,、維護(hù)費(fèi)用及初期投資。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛,，因此受到硬件開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)廠商的廣泛支持,，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，硬件價(jià)格也相對(duì)低廉,。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有現(xiàn)場(chǎng)總線的十幾分之一,，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降,。人們對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì),、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其技術(shù)也十分熟悉,。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用,，在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需單獨(dú)的研究投入，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本,，并大大加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣速度,。
(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/p>
由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)投入,。并且,，在信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)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，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,。
(5)通信速率高
目前以太網(wǎng)的通信速率為10M或100M,、1000M、10G的快速以太網(wǎng)也開(kāi)始應(yīng)用,，以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟,，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快得多，以太網(wǎng)可以滿足對(duì)帶寬的更高要求,。
4,、以太網(wǎng)應(yīng)用于控制時(shí)存在的問(wèn)題
但是傳統(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,。
(1)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。
(2)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。
(3)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。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮,，同時(shí)總線供電還能減少線纜,，降低布線成本。
(4)以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)
(5)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,。
(6)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,。5,、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,。
(3)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,。
(4)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,。
6,、提高以太網(wǎng)實(shí)用性的方法
隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,，以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍，再借助于相關(guān)技術(shù),，可以從總體上提高以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的實(shí)用性,。
6.1采用交換技術(shù)
傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器，其結(jié)構(gòu)和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器,，連接到共享式集線器上的所有站點(diǎn)共享一個(gè)帶寬,，遵循CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認(rèn)為是一個(gè)受控的多端口開(kāi)關(guān)矩陣,，各個(gè)端口之間的信息流是隔離的,，在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供了一個(gè)直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接。不同端口可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道,，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束,。隨著現(xiàn)代交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交換機(jī)端口內(nèi)部之間的傳輸速率比整個(gè)設(shè)備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大,，因而減少以太網(wǎng)的沖突率,，并為沖突數(shù)據(jù)提供緩存。當(dāng)然交換機(jī)的工作方式必須是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式,，這樣在系統(tǒng)中只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,，不會(huì)出現(xiàn)碰撞。多個(gè)交換把整個(gè)以太網(wǎng)分解成許多獨(dú)立的區(qū)域,，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在,，不同域之間沒(méi)有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)站點(diǎn)的帶寬,，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和確定性,。
交換式以太網(wǎng)沒(méi)有更改原有的以太網(wǎng)協(xié)議，可直接使用普通的以太網(wǎng)卡,，大大降低了組網(wǎng)的成本,，并從根本上解決了以太網(wǎng)通信傳輸延遲存在不確定性的問(wèn)題。研究表明,，通信負(fù)荷在10%以下時(shí),，以太網(wǎng)因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計(jì)。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,，傳輸?shù)男畔⒍酁橹芷谛詼y(cè)量和控制數(shù)據(jù),，報(bào)文小，信息量少,，傳輸?shù)男畔㈤L(zhǎng)度較小,。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量,、開(kāi)關(guān)與閥門(mén)的工作位置,、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息,、系統(tǒng)組態(tài),、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等,。其長(zhǎng)度一般都比較小,，通常僅為幾位到幾十個(gè)字節(jié)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓?。研究表明,，在擁?000個(gè)I/O的典型工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信負(fù)荷為10M以太網(wǎng)的5%左右,，即使有操作員信息傳輸(如設(shè)定值的改變,，用戶應(yīng)用程序的下載等)，10M以太網(wǎng)的負(fù)荷也完全可以保持在10%以下,。
6.2采用高速以太網(wǎng)
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)(100M)和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世,。通過(guò)提高通信速度,，結(jié)合交換技術(shù)，可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能,。
6.3采用全雙工通信模式
交換式以太網(wǎng)中一個(gè)端口是一個(gè)沖突域,，在半雙工情況下仍不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式,，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個(gè)站點(diǎn)可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù),，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問(wèn)題，理論上可以使傳輸速率提高一倍,。全雙工通信技術(shù)可以使設(shè)備端口間兩對(duì)雙絞線(或兩根光纖)上同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀,，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣,，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞,，沖突域也就不復(fù)存在。對(duì)于緊急事務(wù)信息,，則可以根據(jù)IEEE802.3p
6.4采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)
虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的許多固有觀念,，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更靈活、方便,。實(shí)際上,，VLAN就是一個(gè)廣播域，不受地理位置的限制,，可以根據(jù)部門(mén)職能,、對(duì)象組和應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個(gè)邏輯網(wǎng)段,。局域網(wǎng)交換機(jī)的每一個(gè)端口只能標(biāo)記一個(gè)VLAN，同一個(gè)VLAN中的所有站點(diǎn)擁有一個(gè)廣播域,，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的,，這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。工業(yè)過(guò)程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開(kāi)來(lái),，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)放平臺(tái)上做邏輯分割,，將不同的功能層、不同的部門(mén)區(qū)分開(kāi),，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理的目的,。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有靜態(tài)端口分配、動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種,。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡(luò)管理人員利用網(wǎng)管軟件或設(shè)備交換機(jī)的端口,，使其直接從屬某個(gè)虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性,，除非網(wǎng)管人員重新設(shè)置;動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動(dòng)確定它們的從屬;多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個(gè)用戶或一個(gè)端口同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng),，這樣可以將一臺(tái)控制層計(jì)算機(jī)配置成多個(gè)部門(mén)可以同時(shí)訪問(wèn)，也可以同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源,。
6.5引入質(zhì)量服務(wù)(QoS)
IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量(quality of service),，亦即IP數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證,。QoS有一套度量指標(biāo),，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲,、可變延遲,、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分實(shí)時(shí)-非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù),，可以識(shí)別來(lái)自控制層的擁有較高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，并對(duì)它們優(yōu)先處理,，在響應(yīng)延遲,、傳輸延遲、吞吐量,、可靠性,、傳輸失敗率、優(yōu)先級(jí)等方面,，使工業(yè)以太網(wǎng)滿足工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制要求,。另外，QoS網(wǎng)絡(luò)還可以制止對(duì)網(wǎng)絡(luò)的非法使用，譬如非法訪問(wèn)控制層現(xiàn)場(chǎng)控制單元和監(jiān)控單元的終端等,。
此外,，還出現(xiàn)了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議的改進(jìn)。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡(luò),，不僅使現(xiàn)場(chǎng)層,、控制層和管理層在垂直層面上方便集成,，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本,，以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),。如Rockwell,、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業(yè)協(xié)議,，它提供Producer/Consumer模型,，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協(xié)議的應(yīng)用層移植到TCP.FF制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議HSE提供了發(fā)布方/定購(gòu)方、對(duì)象等模型,，主要用于工程控制領(lǐng)域,，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持,。由Schneider公司發(fā)布的Modbus/TCP協(xié)議將Modbus協(xié)議捆綁在TCP協(xié)議上,，易于實(shí)施，能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián),。
為了提高實(shí)時(shí)性,，以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進(jìn)。一種完全基于軟件的協(xié)議RETHER(Real Time Ethernet)可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件的情況下確保實(shí)時(shí)性,，它采用一種混合操作模式,，能減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響;非競(jìng)爭(zhēng)的容許控制機(jī)制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節(jié)點(diǎn)故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以CSMA和RETHER兩種模式運(yùn)行,。在實(shí)時(shí)對(duì)話期間,，網(wǎng)絡(luò)將透明地轉(zhuǎn)換到RETHER模式，實(shí)時(shí)對(duì)話結(jié)束后又重新回到CSMA模式,。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫RTCC(Real Time Communication Control),，為分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。RTCC是加在Ethernet之上的一層協(xié)議,，能提供高速,、可靠、實(shí)時(shí)的通信,。它不需要改變現(xiàn)有的硬件設(shè)備,，采用命令/響應(yīng)多路傳輸和總線表兩種新穎的機(jī)制來(lái)分配信道。所有節(jié)點(diǎn)在RTCC協(xié)議中被分為總線控制器(BC)和遠(yuǎn)程終端(RT)兩類(lèi)，BC只有一個(gè),，其余都是RT.信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由BC承擔(dān),，訪問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程都是由BC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程的集成與同步,，不僅節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間是確定的,，而且節(jié)點(diǎn)使用總線的時(shí)間也可控。在10Mbps以太網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)表明,，RTCC有令人滿意的確定性,。第三種改進(jìn)實(shí)時(shí)性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與Ethernet MAC之間加一個(gè)流量平衡器,。作為它們之間的接口,，它被安裝在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。在本地節(jié)點(diǎn),，它給予實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包以優(yōu)先權(quán)來(lái)消除實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息的競(jìng)爭(zhēng),，同時(shí)平衡非實(shí)時(shí)信息，以減少與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息之間的沖突,。為了保證非實(shí)時(shí)信息的吞吐量,，流量平衡器還能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況調(diào)整數(shù)據(jù)流產(chǎn)生率。這種方法不需要對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)Ethernet MAC協(xié)議和TCP或UDP/IP作任何改動(dòng),。
因此,，針對(duì)以太網(wǎng)排隊(duì)延遲的不確定性，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)牧髁靠刂?、交換技術(shù),、全雙工通信技術(shù)、信息優(yōu)先級(jí)等來(lái)提高實(shí)時(shí)性,，并改進(jìn)了容錯(cuò)技術(shù),、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)以及冗余結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),。事實(shí)上,，20世紀(jì)90年代中后期，國(guó)內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng),，推出了基于以太網(wǎng)的DCS,、PLC、數(shù)據(jù)采集器,，以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表,、顯示儀表等產(chǎn)品。
隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的日趨成熟,，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)展將是各種控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流,。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)控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,。