以太网络技术在工业控制领域的应用与发展

　　工业以太网控制系统是集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）之后产生的一种新型的工业控制系统。本文简要介绍了工业以太网的特点，并详细论述了工业以太网在控制领域的应用现状以及以太网交换技术的发展趋势，并提出了以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络的观点。

　　传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础，随着IT技术的飞速发展和工业自动化要求的不断提高，工业控制网络所担负的工作越来越重。与数据信息网络不同，工业控制领域需要一种高速廉价、实时性和开放性好、稳定性和准确性高的网络。以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备等多方面的优势。工业以太网的开放性使得工业控制网络和企业信息网络的无缝整合方面具有无可比拟的优势。

　　以太网技术由于具有成本低、通信速率和带宽高、兼容性好、软硬件资源丰富、广泛的技术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，在过程控制领域的管理层已被广泛应用。事实证明，通过一些实时通信增强措施及工业应用高可靠性网络的设计和实施，以太网可以满足工业数据通信的实时性及工业现场环境要求，并可直接向下延伸应用于工业现场设备间的通信。工业以太网一般是指在技术上与商业以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能够满足工业现场的需要，也就是满足环境性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以太网。近几年来，随着以太网技术的快速发展，以太网技术已开始广泛应用于工业控制领域，它是现代自动控制技术和信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，同时也是信息化带动工业化的重点方向。国内对工业以太网络技术的需求日益增加，在石油、化工、冶金、电力、机械、交通、建材、楼宇管理、现代农业等领域和许多新规划建设的项目中都需要工业以太网络技术的支持。

一、工业以太网的优势

　　20世纪80年代中期产生的现场总线，将智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展成为可能，使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。现场总线国际标准IEC—61158经过多年的争论和斗争后，放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括8种（第三版修订后增加了两种类型，而成为10种类型）类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。但另一方面，随着互联网技术的发展，广大工控专家、制造商和用户也逐渐认识到，现场总线之所以没有能实现统一，除了它们的技术特色和背后支持的公司间的利益冲突外，还因为现场总线发展过程中，过多地强调了自动化网络的特殊性，忽视了信息技术的发展成果，致使现场总线技术、产品和应用发展缓慢。与此同时，垄断了办公自动化领域信息网络通信的以太网技术，由于其诸多优点，无论是大型跨国企业还是中小型自动化企业，都在过程控制领域管理层和控制层等中上层得到广泛应用。在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足发展的要求。由于现场总线技术标准IEC—61158出台，实质上并没有真正统一的技术标准，因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，于是目前在信息网络中广泛应用的以太网成为首先选取的目标。

　　以太网是当今最流行、应用最广泛的通信技术，具有价格低、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等诸多优点，而且其运行经验最为丰富，拥有大量安装维护人员，是一种理想的工业通信网络。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。以太网技术人员多，可以降低企业培训维护成本；第三，以太网具有相当高的数据传输速率可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作为现场的总线，很容易将I／O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享；以太网易与Internet连接。在任何城市、任何地方甚至都可以利用电话线通过Internet对企业生产进行监视控制；另外，以太网作为目前应用最广泛的计算机网络技术，受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，有多种开发工具可供选择。

　　随着经济的发展和自动化办公信息网络的进步，企业综合自动化、管控一体化已成为企业生存和发展的必尤之路。以太网可方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势，可以使电子商务与工业生产控制现场紧密结合，实现真正意义上的企业管控一体化。

　　以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显：

　　（一）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。

　　（二）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

　　（三）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

　　（四）通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。

　　（五）可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

二、以太网应用于工业现场存在的主要问题

1、信息传输存在实时性差和不确定性

　　工业控制网络要求具有比较高的实时性和确定性。而以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA／CD）以及二进制指数退避算法（BEB），因此必导致信息传送的滞后，因其时间滞后是随机的，这说明实质上以太网是一种非确定性的网络系统。因此，对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生碰撞的可能性，造成响应时间的不确定性，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性。

2、以太网的可靠性差

　　安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够抗冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有比较好的电磁兼容性。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，其所用插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，难以满足工业现场的恶劣环境要求。

3、缺乏应用于工业控制领域的应用层协议

　　以太网标准仅仅定义了ISO／OSI参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上TCP／IP协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是FTP，Telnet，SMTP，HTTP等。这些协议所规定的数据结构等特性不符合工业控制现场设备之间的实时通信要求。因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议。