前言： 所謂工業(yè)以太網，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業(yè)現場的需要。
1 工業(yè)以太網技術發(fā)展現狀
所謂工業(yè)以太網，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業(yè)現場的需要。
隨著互聯網技術的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應用于工業(yè)控制領域成為可能。目前工業(yè)以太網技術的發(fā)展體現在以下幾個方面：
1.1 通信確定性與實時性
工業(yè)控制網絡不同于普通數據網絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠的快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，因此傳統(tǒng)以太網技術難以滿足控制系統(tǒng)要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為非確定性的網絡。
然而，快速以太網與交換式以太網技術的發(fā)展，給解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應用成為可能。首先，Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今的1 000M、10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降。其次，采用星型網絡拓撲結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。Ethernet交換機由于具有數據存儲、轉發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節(jié)點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網絡上的沖突域不復存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。
1.2 穩(wěn)定性與可靠性
Ethernet進入工業(yè)控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現場環(huán)境來設計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網絡產品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現場環(huán)境中。
隨著網絡技術的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網絡也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。臺灣四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工業(yè)以太網產品—MOXA EtherDevice Server（工業(yè)以太網設備服務器），特別設計用于連接工業(yè)應用中具有以太網絡接口的工業(yè)設備（如 PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。
最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標準中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以此提高網絡的抗干擾能力和可靠性。
1.3 工業(yè)以太網協議
由于工業(yè)自動化網絡控制系統(tǒng)不單單是一個完成數據傳輸的通信系統(tǒng)，而且還是一個借助網絡完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數據傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸的數據和指令，執(zhí)行某些控制計算與操作功能，由多個網絡節(jié)點協調完成自控任務。因而它需要在應用、用戶等高層協議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。
對應于ISO/OSI七層通信模型，以太網技術規(guī)范只映射為其中的物理層和數據鏈路層；而在其之上的網絡層和傳輸層協議，目前以TCP/IP協議為主（已成為以太網之上傳輸層和網絡層“事實上的”標準）。而對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有作技術規(guī)定。目前商用計算機設備之間是通過FTP（文件傳送協議）、Telnet（遠程登錄協議）、SMTP（簡單郵件傳送協議）、HTTP（WWW協議）、SNMP（簡單網絡管理協議）等應用層協議進行信息透明訪問的，它們如今在互聯網上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協議所定義的數據結構等特性不適合應用于工業(yè)過程控制領域現場設備之間的實時通信。
為滿足工業(yè)現場控制系統(tǒng)的應用要求，必須在Ethernet+TCP/IP協議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協調好工業(yè)現場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務，形成為廣大工控生產廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協議，進而形成開放的標準。為此，各現場總線組織紛紛將以太網引入其現場總線體系中的高速部分，利用以太網和TCP/IP技術，以及原有的低速現場總線應用層協議，從而構成了所謂的工業(yè)以太網協議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。
(1) HSE(High Speed Ethernet，高速以太網)
HSE是現場總線基金會在摒棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現場總線基金會明確將HSE定位成實現控制網絡與互聯網Internet的集成。由HSE鏈接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干上并進一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控室可以直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況�，F場設備同樣也可以從網絡獲得控制信息。
HSE在低四層直接采用以太網+TCP/IP，在應用層和用戶層直接采用FF H1的應用層服務和功能塊應用進程規(guī)范，并通過鏈接設備(Linking Device)將FF H1網絡連接到HSE網段上，HSE鏈接設備同時也具有網橋和網關的功能，它的網橋功能能用來連接多個H1總線網段，使不同H1網段上的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統(tǒng)的干預。HSE主機可以與所有的鏈接設備和鏈接設備上掛接的H1設備進行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場設備，并接收來自現場設備的數據信息，實現監(jiān)控和報表功能。監(jiān)視和控制參數可直接映射到標準功能塊或者“柔性功能塊”(FFB)中。
(2) PROFInet
Profibus國際組織針對工業(yè)控制要求和Profibus技術特點，提出了基于以太網的PROFInet，它主要包含3方面的技術：① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統(tǒng)；② 規(guī)定了Profibus和標準以太網之間的開放、透明通信；③ 提供了一個包括設備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(tǒng)模型。
PROFInet采用標準TCP/IP+以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協議加上應用層的RPC／DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現場設備�，F有的Profibus網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到PROFInet網絡當中，使整套Profibus設備和協議能夠原封不動地在PROFInet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設備可通過代理proxy與PROFInet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現COM對象之間的調用。
(3) Ethernet/IP
Ethernet/IP（以太網工業(yè)協議）是主推ControlNet現場總線的Rockwell Automation公司對以太網進入自動化領域做出的積極響應。Ethernet/IP網絡采用商業(yè)以太網通信芯片、物理介質和星形拓撲結構，采用以太網交換機實現各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商用產品，Ethernet/IP的協議由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和控制與信息協議CIP(Control Information Protocol)等3個部分組成，前面兩部分為標準的以太網技術，其特色就是被稱作控制和信息協議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制網絡中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現信息的對等傳輸，其控制部分用來實現實時I/O通信，信息部分則用來實現非實時的信息交換。
2 工業(yè)以太網技術的發(fā)展趨勢與前景
由于以太網具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，目前它已經在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應用，并呈現向下延伸直接應用于工業(yè)控制現場的趨勢。從目前國際、國內工業(yè)以太網技術的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網在制造執(zhí)行層已得到廣泛應用，并成為事實上的標準。未來工業(yè)以太網將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現場設備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。總的來說，工業(yè)以太網技術的發(fā)展趨勢將體現在以下幾個方面：
2.1 工業(yè)以太網與現場總線相結合
工業(yè)以太網技術的研究還只是近幾年才引起國內外工控專家的關注。而現場總線經過十幾年的發(fā)展，在技術上日漸成熟，在市場上也開始了全面推廣，并且形成了一定的市場。就目前而言，全面代替現場總線還存在一些問題，需要進一步深入研究基于工業(yè)以太網的全新控制系統(tǒng)體系結構，開發(fā)出基于工業(yè)以太網的系列產品。因此，近一段時間內，工業(yè)以太網技術的發(fā)展將與現場總線相結合，具體表現在：
(1) 物理介質采用標準以太網連線，如雙絞線、光纖等；
(2) 使用標準以太網連接設備（如交換機等），在工業(yè)現場使用工業(yè)以太網交換機；
(3) 采用IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組；
(4) 應用層（甚至是用戶層）采用現場總線的應用層、用戶層協議；
(5) 兼容現有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等；
這方面比較典型的應用有如法國施耐德公司推出“透明工廠”的概念，即將工廠的商務網、車間的制造網絡和現場級的儀表、設備網絡構成暢通的透明網絡，并與Web功能相結合，與工廠的電子商務、物資供應鏈和ERP等形成整體。
2.2 工業(yè)以太網技術直接應用于工業(yè)現場設備間的通信已成大勢所趨
隨著以太網通信速率的提高、全雙工通信、交換技術的發(fā)展，為以太網的通信確定性的解決提供了技術基礎，從而消除了以太網直接應用于工業(yè)現場設備間通信的主要障礙，為以太網直接應用于工業(yè)現場設備間通信提供了技術可能。為此，國際電工委員會IEC正著手起草實時以太網(Real-time Ethernet, RTE)標準，旨在推動以太網技術在工業(yè)控制領域的全面應用。針對這種形勢，以浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學、大連理工大學、重慶郵電學院等單位，在國家“863”計劃的支持下，開展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技術的研究，重點是研究以太網技術應用于工業(yè)控制現場設備間通信的關鍵技術，通過研究和攻關，取得了以下成果：
(1) 以太網應用于現場設備間通信的關鍵技術獲得重大突破。
針對工業(yè)現場設備間通信具有實時性強、數據信息短、周期性較強等特點和要求，經過認真細致的調研和分析，采用以下技術基本解決了以太網應用于現場設備間通信的關鍵技術：
�、� 實時通信技術
其中采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數據通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現場設備層網絡微網段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網通信的實時性。
�、� 總線供電技術
采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題
�、� 遠距離傳輸技術
采用網絡分層、控制區(qū)域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術解決以太網的遠距離傳輸問題。
�、� 網絡安全技術
采用控制區(qū)域微網段化，各控制區(qū)域通過具有網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網絡隔離。
�、� 可靠性技術
采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網技術的現場設備可靠性，經實驗室EMC測試，設備可靠性符合工業(yè)現場控制要求。
(2) 起草了EPA國家標準。
以工業(yè)現場設備間通信為目標，以工業(yè)控制工程師（包括開發(fā)和應用）為使用對象，基于以太網、無線局域網、藍牙技術+TCP/IP協議，起草了“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構和通信標準”（草案），并通過了由TC124組織的技術評審。
(3) 開發(fā)基于以太網的現場總線控制設備及相關軟件原型樣機，并在化工生產裝置上成功應用。針對工業(yè)現場控制應用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，開發(fā)出了基于以太網技術的現場控制設備，主要包括：基于以太網的現場設備通信模塊、變送器、執(zhí)行機構、數據采集器、軟PLC等成果等。
在此基礎上開發(fā)的基于EPA的分布式網絡控制系統(tǒng)在杭州某化工廠的聯堿碳化裝置上成功應用，該系統(tǒng)自2003年4月投運一直穩(wěn)定運行至今。
2.3 發(fā)展前景
據美國權威調查機構ARC(Automation Research Company)報告指出，今后Ethernet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機網絡通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網絡通信市場，也必將領導未來現場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協議。美國VDC(Venture Development Corp.)調查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領域中的應用將越來越廣泛，市場占有率的增長也越來越快，將從2000年的11%增加到2005年的23%。
由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網已成為現場總線中的主流技術。
目前，在國際上有多個組織從事工業(yè)以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發(fā)布了基于高速以太網技術的現場總線設備研究項目，其目標是：攻克應用于工業(yè)控制現場的高速以太網的關鍵技術，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等問題，同時研究開發(fā)相關高速以太網技術的現場設備、網絡化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件
