Ethernet過去被認為是一種“非確定性”的網(wǎng)絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領域只能得到有限應用，這是由于：（1）Ethernet的介質(zhì)訪問控制（MAC）層協(xié)議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網(wǎng)絡負荷較重時，網(wǎng)絡的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求；（2）Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求；（3）在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；（4）Ether-net不能通過信號線向現(xiàn)場設備供電問題。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發(fā)展，上述問題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在迅速得到解決。
二、Ethernet應用于工業(yè)現(xiàn)場的關鍵技術
（一）通信確定性與實時性
工業(yè)控制網(wǎng)絡不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)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(shù)據(jù)準確定時刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)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(wǎng)絡。
工業(yè)以太網(wǎng)采取了以下措施使得該問題基本得到解決：
1．采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡帶寬。Ether-net的通信速率從10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡碰撞機率大大下降，從而提高其實時性。
2．采用全雙工交換式以太網(wǎng)。用交換技術替代原有的總線型CSMA/CD技術，避免了由于多個站點共享并競爭信道導致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費，同時還可以實現(xiàn)全雙工通信，提高信道的利用率。
3．降低網(wǎng)絡負載。工業(yè)控制網(wǎng)絡與商業(yè)控制網(wǎng)絡不同，每個結點傳送的實時數(shù)據(jù)量很少，一般為幾個位或幾個字節(jié)，而且突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生，因此可以通過限制網(wǎng)段站點數(shù)目，降低網(wǎng)絡流量，進一步提高網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性。
4．應用報文優(yōu)先級技術。在智能交換機或集線器中，通過設計報文的優(yōu)先級來提高傳輸?shù)膶崟r性。
（二）穩(wěn)定性與可靠性
傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應用而設計的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。
為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網(wǎng)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(chǎn)了導軌式集線器、交換機產(chǎn)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。此外，在實際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡技術，以此提高網(wǎng)絡的抗干擾能力和可靠性。
（三）安全性
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設備，都必須采取一定的防爆技術措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。
在目前技術條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆、防爆的措施比較可行，即通過對Ethernet現(xiàn)場設備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現(xiàn)場設備本身的故障產(chǎn)生的點火能量不外泄，以保證系統(tǒng)運行的安全性。對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。
工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全是工業(yè)以太網(wǎng)應用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運作效率。但同時也引人了一系列的網(wǎng)絡安全向題，工業(yè)網(wǎng)絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅。一般情況下，可以采用網(wǎng)關或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡進行隔離，還可以通過權限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡的安全管理。
（四）總線供電問題
總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設備提供工作電源。對于現(xiàn)場設備供電可以采取以下方法：
1．在目前以太網(wǎng)標準的基礎上適當?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設備端再將這兩路信號分離開來。
2．不改變目前物理層的結構，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設備提供電源。
三、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議
當以太網(wǎng)用于信息技術時，應用層包括HT-TP、FTP、SNMP等常用協(xié)議，但當它用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應用層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應用協(xié)議，目前還沒有統(tǒng)一的應用層協(xié)議，但受到廣泛支持并已經(jīng)開發(fā)出相應產(chǎn)品的有以下凡種主要協(xié)議。
（一）Modbus TCP/IP
該協(xié)議由施耐德公司推出，以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使Modbus與以太網(wǎng)和TCP/IP結合，成為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應答，這種呼叫/應答的機制與Modbus的主/從機制相互配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性，利用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)頁的形式可以使用戶界面更加友好。利用網(wǎng)絡瀏覽器便查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部設備運行情況。施耐德公司已經(jīng)為Mod-bus注冊了502端口，這樣就可以將實時數(shù)據(jù)嵌人到網(wǎng)頁中，通過在設備中嵌入Web服務器，就可以將Web瀏覽器作為設備的操作終端。
（二）ProflNet
針對工業(yè)應用需求，德國西門子于2001年發(fā)布了該協(xié)議，它是將原有的Profibus與互聯(lián)網(wǎng)技術結合，形成了ProfiNet的網(wǎng)絡方案，主要包括：（1）基于組件對象模型（COM）的分布式自動化系統(tǒng)；（2）規(guī)定了ProfiNet現(xiàn)場總線和標準以太網(wǎng)之間的開放、透明通信；（3）提供了一個獨立于制造商，包括設備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。
ProfiNet采用標準TCP/IP十以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標準TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設備�，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設備（proxy）連接到ProfiNet網(wǎng)絡當中，使整Profibus設備和協(xié)議能夠原封不動地在Pet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(xiàn)COM對象間的調(diào)用。
（三）HSE
基金會現(xiàn)場總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱HSE（High Speed Ethernet）。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE 802．3，TCP/IP協(xié)議族與FF Ill的結合體。FF現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與Internet的集成。
HSE技術的一個核心部分就是鏈接設備，它是HSE體系結構將Hl（31.25 kb/s）設備連接100 Mb/s的HSE主干網(wǎng)的關鍵組成部分，同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關的功能。網(wǎng)橋功能能夠用于連接多個H1總線網(wǎng)段，使同H1網(wǎng)段上的H1設備之間能夠進行對等通信而無需主機系統(tǒng)的干涉；網(wǎng)關功能允許將HSE網(wǎng)絡連接到其他的工廠控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡，HSE鏈接設備不需要為H1子系統(tǒng)作報文解釋，而是將來自H1總線網(wǎng)段的報文數(shù)據(jù)集合起來并且將Hl地址轉化為IP地址。
（四）Ethernet/IP
Ethernet/IP是適合工業(yè)環(huán)境應用的協(xié)議體系。它是由ODVA（Open Devicenet Vendors Asso-cation）和ControlNet International兩大工業(yè)組織推出的最新成員與DeviceNet和ControlNet一樣，它們都是基于CIP（Control and Information Proto-Col）協(xié)議的網(wǎng)絡。它是一種是面向對象的協(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡上隱式（控制）的實時I/O信息和顯式信息（包括用于組態(tài)、參數(shù)設置、診斷等）的有效傳輸。
Ethernet/IP采用和Devicenet以及ControlNet相同的應用層協(xié)議CIP。因此，它們使用相同的對象庫和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。Ethernet/IP采用標準的Ethernet和TCP/IP技術傳送CIP通信包，這樣通用且開放的應用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的Ethernet和TCP/IP協(xié)議，就構成Ethernet/IP協(xié)議的體系結構。
四、工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢
（一）應用廣泛
以太網(wǎng)是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡技術，幾乎所有的編程語言如Visual C＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應用開發(fā)。
（二）通信速率高
目前，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應用，1Gb/s以太網(wǎng)技術也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s（如西門子Profibus-DP）。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡不斷增長的帶寬要求。
（三）成本低廉
以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多（約為1/10）；另外，以太網(wǎng)已經(jīng)應用多年，人們對以太網(wǎng)的設計、應用等方面有很多經(jīng)驗，具有相當成熟的技術。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。
（四）資源共享能力強
隨著Internet/ Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，網(wǎng)絡上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。
（五）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/DIV>
以太網(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術升級方面無需獨自的研究投人，對于這一點，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術都是無法比擬的。同時，機器人技術、智能技術的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。
五、工業(yè)以太網(wǎng)在控制領域應用現(xiàn)狀
工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，它能提供一個開放的標準，是企業(yè)從現(xiàn)場控制到管理層實現(xiàn)全面的無縫的信息集成，解決了由于協(xié)議上的不同導致的“自動化孤島”問題，但從目前的發(fā)展看，工業(yè)以太網(wǎng)在控制領域的應用主要體現(xiàn)在以下幾種形式。
（一）混合Ethernet/Fieldbus的網(wǎng)絡結構
這種結構實際上就是信息網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡的一種典型的集成形式。以太網(wǎng)正在逐步向現(xiàn)場設備級深入發(fā)展，并盡可能的和其他網(wǎng)絡形式走向融合，但以太網(wǎng)和TCP/IP原本不是面向控制領域的，在體系結構、協(xié)議規(guī)則、物理介質(zhì)、數(shù)據(jù)、軟件、實驗環(huán)境等諸多方面并不成熟，而現(xiàn)場總線能完全滿足現(xiàn)代企業(yè)對底層控制網(wǎng)絡的基本要求，實現(xiàn)真正的全分布式系統(tǒng)。因此，在企業(yè)信息層采用以太網(wǎng)，而在底層設備級采用現(xiàn)場總線，通過通信控制器實現(xiàn)兩者的信息交換。
（二）專用工業(yè)以太控制網(wǎng)絡
如何利用工業(yè)以太網(wǎng)單獨作為控制網(wǎng)絡是工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向之一，也是工業(yè)控制領域的研究熱點之一。如德國Jetter AG公司的新一代控制系統(tǒng)JetWeb，是融現(xiàn)場總線技術、100Mb/s以太網(wǎng)技術、CNC技術、PLC技術、可視化人機接口技術和全球化生產(chǎn)管理技術為一體的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，同時具有廣泛的兼容性，可兼容第三方自動化控制產(chǎn)品，提出“網(wǎng)絡就是控制器”的觀點，是取代所有底層現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡結構。
這種工業(yè)控制網(wǎng)絡是將以太網(wǎng)貫穿于整個網(wǎng)絡各層次，使它成為透明的覆蓋整個企業(yè)范圍的應用實體。它實現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結合，實質(zhì)上是一個單層的扁平結構，其良好的可擴展性和互連性，使之成為真正意義上的全開放網(wǎng)絡體系結構的大統(tǒng)一。
（三）基于Web的網(wǎng)絡監(jiān)控平臺
嵌人式以太網(wǎng)是最近網(wǎng)絡應用熱點，就是通過Internet使所有連接網(wǎng)絡的設備彼此互通，從計算機、PDA、通信設備到儀器儀表、家用電器等。在企業(yè)內(nèi)部，可以利用企業(yè)信息網(wǎng)絡，進行工廠實時運行數(shù)據(jù)的發(fā)布和顯示，管理者通過Web瀏覽器對現(xiàn)場工況進行實時遠程監(jiān)控、遠程設備調(diào)試和遠程設備故障診斷和處理。實現(xiàn)的最簡單辦法就是采用獨立的以太網(wǎng)控制器，連接具有TCP/IP界面的控制主機以及具有RS-232或RS-4.85接口的現(xiàn)場設備。以太網(wǎng)控制器在這里扮演了通用計算機網(wǎng)絡和現(xiàn)場各類設備之間的一個橋梁，如臺灣泓格科技的I-7188EX/EN系列嵌入式控制器。
六、結束語
以太網(wǎng)有“E網(wǎng)到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，被人們認為是未來控制網(wǎng)絡的最佳解決方案。雖然就目前的應用而言，工業(yè)以太網(wǎng)還不適合所有的工業(yè)自動化設備，并不能全面地應用于工業(yè)控制領域，且由于各大生產(chǎn)廠商的應用層協(xié)議的不同，給工業(yè)以太網(wǎng)全面應用帶來一定的影響，但是以太網(wǎng)在進入工業(yè)控制領域的過程中將逐步成熟，并具有巨大的發(fā)展?jié)摿头浅V闊的前景，其應用領域將不斷地得到擴展，而且應用廣度和深度也將繼續(xù)擴大。
