一、引言

由于众所周知的原因，现场总线的标准化历经了十几年才最终告一段落，于1999年底通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。后来又通过了IEC62026 3种总线标准。此外,ISO还有CAN总线标准ISO11898(通信速率1Mbps)和ISO11519(通信速率125kbps)。人们期盼的一种现场总线标准一统天下的局面并没有发生,最终的结果依然是群雄混战标准不一。

然而当现场总线大战硝烟正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网却悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速，颇为引人注目。究其原因，是由于工业自动化系统正向分布式开放性方向发展，其中，通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Internet/Intranet 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来了一场深层次的革命，但由于现场总线标准的不统一，不同现场总线协议互不兼容，符合不同现场总线协议的控制系统不能实现信息无缝集成，并导致新的“自动化孤岛”的出现，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以以太网技术为代表的COTS（Commercial Off The Shelf）信息网络通信技术。与现场总线相比，以太网因其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。

二、工业以太网介绍

    工业以太网是用于工业控制领域，符合IEEE802.3标准，按照IEEE802.1“媒体访问控制（MAC）网桥”规范和IEEE802.1Q“局域网虚拟网桥”规范，对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网。它在技术上与商用以太网（即ISO 8802-3标准）兼容，但又必须满足工业控制网络通信的需求。一般来讲，工业控制网络应该满足以下要求：

(1) 具有较好的响应实时性 工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为毫秒到0.1 秒级。

(2) 容错性要求 即在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路；

(3) 力求简洁 以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性；

(4) 开放性要好 即工业控制网络尽量不要采用专用网络。                            

除了满足上述特点外，应用于现场设备层网络的工业以太网还应该满足：

(1) 环境适应性要求 包括机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、气候环境适应性（工作温度要求为-40~85°C，至少为-20～70°C，并要耐腐蚀、防尘、防水）、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC 应符合EN 50081-2、EN50082-2标准。

(2) 可靠性要求 即能安装在工业控制现场，且能够长时间连续稳定运行。

(3) 安全性要求 在易爆或可燃的场合，工业以太网络产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安全两种方式。

(4) 总线供电要求 即要求现场设备层网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。

(5) 安装方便 适应工业环境的安装要求，如采用DIN导轨安装。

由于传统的以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符号工业环境的要求，将传统的以太网用于工业控制领域还存在明显缺陷。首先,以太网的媒体访问方式CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)不能保证网络传输的确定性,也就是说以太网并不具有实时性,在负荷很重时网络的传输效率很低,商业以太网一般的传输时延为2～30ms,这一速度在某些工业场合是不可接受的。其次,以太网所用的接插件、集线器、交换机和传输介质等设备不能满足工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中,以太网抗干扰性能较差,且不具有本质安全性能,不能应用于危险场合。再次,以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。这些问题是长期以来以太网进入工业控制领域的主要障碍。

三、工业以太网技术的发展

    过去几年，在各国研发机构的共同努力推动下，工业以太网技术获得了极其快速的发展，关键技术正逐个被攻破，使工业以太网性能得到了较大的改善。

(1) 通信的确定性和实时性

    1.以太网通信速率的一再提高,从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。通过研究发现，在负荷低于30%时，10M以太网的通信响应时间比著名的ARCnet令牌网（传输速率为2.5Mbps）还要短，而当负荷低于10%时，以太网几乎不发生碰撞。

    2.在网络拓扑上，采用星型连接代替总线型结构，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段。在每个网段上，以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接起来。这样，挂接在同一个网段上的所有设备形成一个冲突域，每个冲突域采用CSMA/CD机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大降低。

3.使用以太网交换技术，将网络冲突域进一步细化。在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。交换式以太网的出现使以太网获得了确定性，其结构如图1。

      图1 交换式以太网结构

4.采用全双工通信技术。全双工设备可以同时发送和接收数据，这样任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在，可以明显提高网络通信的确定性。

5.采用虚拟局域网（VLAN）技术。VLAN（Virtual Local Area Network）技术能把一个局域网划分成多个虚拟局域网，每个VLAN都有一个标识号，在整个局域网中唯一标识该VLAN。多个VLAN可以共享物理局域网的交换设备和链路。然而，每个VLAN在逻辑上像一个独立的局域网，VLAN的所有数据流量都被限制在该VLAN中，这样就能提高网络性能。

(2)互可操作性

互可操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。  

由于以太网（IEEE802.3）只映射到ISO/OSI参考模型中的物理层和数据链路层，TCP/IP映射到网络层和传输层，而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前以太网上没有统一的应用层协议，因此，相互之间不能实现透明互访。要解决基于以太网的工业现场设备之间的互可操作性问题，唯一而有效的方法就是在以太网+TCP(UDP)/IP协议的基础上，制定统一并适用于工业现场控制的应用层技术规范，同时可参考IEC有关标准，在应用层上增加用户层，将工业控制中的模块FB(Function Block)进行标准化，通过规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用程序，便于实现不同制造商设备的混合组态与调用。这样，不同自动化制造商的工控产品共同遵守的标准化的应用层和用户层，这些产品再经过一致性和互操作性测试，就能实现它们之间的互可操作。

(3)总线供电技术

总线供电是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号,还能给现场设备提供工作电源.2003年6月12日,IEEE标准化委员会正式批准了以太网供电的IEEE802.3af标准.该标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送D C 电源的方法。它能安全、可靠地将以太网供电(PoE，Power over Ethernet)技术引入现有的网络基础设施中,并且和原有的网络设备相兼容.它最大能提供大约13W的功率。

在PoE系统中，提供电源的设备被称为供电设备PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用电源的设备称为受电设备PD(Powered Device)。PSE 负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划和管理。可以采用两种类型的PSE：一种为“Endpoint PSE”，另一种为“Midspan PSE”。Endpoint PSE就是支持PoE的以太网交换机、路由器、集线器或其它网络交换设备。mid-span PSE是用来将以太网供电功能添加到现有网络的一种设备。它专门用于电源管理，并通常和交换机放在一起，和交换机一样也有多路输入输出RJ-45端口，对应每路的两个RJ-45插孔， 一个用短线连接至不具有以太网供电功能的网络交换设备，作为数据输入口；而另一个连接到支持802.3af 供电的远端用电设备(PD)，作为数据/ 电源双用的RJ-45输出口。mid-span设备通常通过未使用的4/5和7/8线对来承载供电，剩下的部分预留给数据传输。电源在机箱内被注入网线而信号未作任何调整。PD则有多种形式，如IP 电话机、网络摄影机、无线桥接器、收银机、安全存取与监测系统等。实际上，任何需要数据连接并能在13W 或更低功率下工作的设备都可无需AC电源或电池供电，仅从RJ-45插座就能够得到相应的电力。图2给出了采用Mid-span的PoE系统工作示意图。

            图2 用Mid-span的PoE系统工作示意图

(4)工业可靠性

    为了提高可靠性，工业领域广泛使用设备冗余方法，当工作的设备发生故障时，自动切换到冗余的备用设备。

1.单环冗余

    环行网络由多台交换机连接成环行，设备连接到交换机上，在以太网交换机上配置生成树协议（802.1D）或快速生成树协议（802.W）。安装了该协议后，环上的一个网段会自动从逻辑上阻塞变成一个备用的网段。如果某一个运行的网段出现故障，则阻塞的备用网段将会运行起来，使网络继续正常运转。以太网单环冗余如图3所示。

          图3 以太网单环冗余

2.双环冗余

    单环拓扑只能提供传输媒体的冗余。双环拓扑可以建立一个具有冗余的网络设备的完全的冗余系统。例如，一个具有以太网冗余接口的工业控制设备可以分别连接到两个以太网环上，实现了以太网接口、交换机和媒体的完全冗余。以太网双环冗余配置如图4所示。

            图4 以太网双环冗余配置

(5)端到端QoS技术

     经过十几年的发展,以太网的新业务和新应用不断涌现,这意味着更多的网络资源耗费,仅仅保证高带宽已经无法满足要求.QoS(Quality of Service)是网络的一种安全机制,是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。QoS具有如下功能:

    1．分类

    分类是指具有QoS的网络能够识别哪种应用产生哪种数据包。所有应用都会在数据包上留下可以用来识别源应用的标识。分类就是检查这些标识，识别数据包是由哪个应用产生的。QoS通常根据协议、TCP和UDP端口号码、源IP地址、物理端口号码等分类方法来识别数据包是哪个应用产生的。

    2．标注

    在识别数据包之后，要对它进行标注，这样其他网络设备才能方便地识别这种数据。由于分类可能非常复杂，因此最好只进行一次。识别应用之后就必须对其数据包进行标记处理，以便确保网络上的交换机或路由器可以对该应用进行优先级处理。通过采纳标注数据的两种行业标准，即IEEE 802.1p或差异化服务编码点(DSCP，Difference Service Code Point)，就可以确保多厂商网络设备能够对该业务进行优先级处理。
    3优先级设置

    在局域网交换机中，多种业务队列允许数据包优先级存在。较高优先级的业务可以在不受较低优先级业务的影响下通过交换机，减少对诸如话音或视频等对时间敏感业务的延迟事故。
    为了提供优先级，交换机的每个端口必须有至少2个队列。虽然每个端口有更多队列可以提供更为精细的优先级选择，但是在局域网环境中，每个端口需要4个以上队列的可能性不大。当每个数据包到达交换机时，都要根据其优先级别分配到适当的队列，然后该交换机再从每个队列转发数据包。该交换机通过其排队机制确定下一步要服务的队列。

四、工业以太网应用中的问题

(1)电缆问题

    我们知道,工业现场环境复杂、恶劣，应用于工业现场的以太网电缆可能会受到安装、温度、紫外线辐射和阳光照射、油蚀、机械力：磨损、剪断和碾压、电磁／射频干扰、噪音等方面的影响，因此，在选择电缆方面，应充分考虑采用光纤和屏蔽双绞线作为主要的传输介质，非屏蔽双绞线的使用应当受到限制，以克服电磁干扰等对于数据信号的影响。在安装电缆方面还应注意以下几点：1. 在敷设电缆时应尽量远离干扰源，如电焊机、切换继电器或直流驱动器。2.正确的接地。正确的接地是获得有效屏蔽的关键。没有接地或接地不正确可能会降低屏蔽的效果。理想的屏蔽接地应该只有唯一的接点。当干扰信号耦合到屏蔽层上时，电流就会被导入大地，避免了屏蔽层下的线对受到影响。3.对架设的电缆要有专门的保护套管。4.对电缆接头及接线盒要密封好，以便防水和防爆。

(2)安全问题

在工业生产过程中,很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。以太网系统的本质安全包括工业现场交换机、传输介质以及基于Ethernet的变送器和执行机构等现场设备。

    在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不会外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严格的本质安全要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。

    工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合为一体，使数据的传输速度更快，实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运行效率，但同时也引入了一系列的网络安全问题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作的等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，可以考虑采用内外两重防火墙（如图5）还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。

  图5 工业以太网两级防火墙

五、结束语

可以预见，随着关键技术的不断解决，工业以太网以其自身的优势必然会有很好的应用前景，我们在研究工业以太网应用于工业控制现场时，应该充分利用信息网络的已有的成熟技术和可用的新技术来改善工业以太网的网络可用性，加快工业以太网在我国的研究和应用步伐。

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