1 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生的背景
(1) 統(tǒng)一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)成為泡影，誘惑依然
1984年美國著手制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，若干年以來，世界各大公司為了商業(yè)的利益，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)始終不能統(tǒng)一。通過多次投票、協(xié)商，2000年1月宣布的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158將八種總線（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時列為國際標(biāo)準(zhǔn)（目前已達(dá)10種），形成一個妥協(xié)的結(jié)果。
同時，國外各大公司又推出了自己的標(biāo)準(zhǔn)，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法國Schneider等，目前多種總線的標(biāo)準(zhǔn)同時存在的局面依然存在，人們所說的開放性和互操作性只能在同一種總線標(biāo)準(zhǔn)下實現(xiàn)，不同標(biāo)準(zhǔn)總線之間仍然受到限制。不同總線之間的互聯(lián)性得不到保證，因此人們在努力尋求一種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，有人提出了采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。
(2) 系統(tǒng)集成的需求
① 工業(yè)自動化的管控一體化 企業(yè)信息化是我國的國策，以制造自動化及信息化為例：在需要改變業(yè)務(wù)流程度的同時，將管理信息系統(tǒng)與電子商務(wù)、分散的網(wǎng)絡(luò)化制造加以集成，把現(xiàn)有的企業(yè)資源ERP改造成為基于WEB的應(yīng)用系統(tǒng)。目前工業(yè)自動化已從單機自動化、工廠自動化，向系統(tǒng)自動化發(fā)展，底層的信息要集成到上層的信息網(wǎng)上以實現(xiàn)管控一體化的集成系統(tǒng)。以現(xiàn)代制造業(yè)為例，其現(xiàn)代制造自動化模型如圖1所示。
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ERP(企業(yè)資源) |
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MES(制造執(zhí)行系統(tǒng)) |
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AUTOMATION(工廠底層設(shè)備自動化) |
圖1 現(xiàn)代制造自動化模型
現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)為一個多層的工業(yè)控制系統(tǒng)，一般分為三層：
? 設(shè)備層 聯(lián)接檢測設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)；
? 控制層 從現(xiàn)場設(shè)備取得數(shù)據(jù)，完成各種控制，監(jiān)測運行參數(shù)，報警和歷史趨勢分析等；
? 信息層 將控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)加工后傳至上級管理網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP以太網(wǎng)），以便實現(xiàn)管控一體化，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
② 智能建筑的系統(tǒng)集成 城市信息化、數(shù)字化的發(fā)展、智能建筑（包括智能化住宅小區(qū)），已成為數(shù)字化城市的信息站點，要實現(xiàn)信息共享，必須實現(xiàn)控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的縱向集成，即控制網(wǎng)與TCP/IP的以太網(wǎng)集成。各子系統(tǒng)（空調(diào)、給排水、供電……）由控制網(wǎng)互聯(lián)再經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入TCP/IP以太網(wǎng)，或者各子系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)關(guān)直接接入TCP/IP以太網(wǎng)。
智能建筑集成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 智能建筑系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
由于各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場設(shè)備通訊協(xié)議是多樣化的，這兩種集成模式都要開發(fā)網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，這樣加大了系統(tǒng)集成技術(shù)的復(fù)雜性，提高了成本。有人大膽提出能否用TCP/IP協(xié)議作為一個統(tǒng)一的協(xié)議，各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場設(shè)備直接接到以太網(wǎng)上以簡化系統(tǒng)集成的技術(shù)難度，降低成本，使控制信號直接由以太網(wǎng)傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)的概念因此被提出。
2 以太網(wǎng)與CSMA/CD
(1) 以太網(wǎng)
以太網(wǎng)（Ethernet）1975年由美國XEROX公司研制成功，由于采用無源介質(zhì)（如雙絞線、同軸電纜等）來傳播信息，所以以歷史上把傳播電磁波稱為“以太”（Ether）來命名。
1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯(lián)合推出了EthernetV2，是世界上第一個局域網(wǎng)規(guī)范。1983年IEEEE802委員會以DIX EthernetV2為基礎(chǔ)推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介質(zhì)訪問控制技術(shù)。
802.3是指采用CSMA/CD的網(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)由DIX EthernetV2定義，在不嚴(yán)格的情況下，可以稱之為802.3局域網(wǎng)，也就是以太網(wǎng)。
工業(yè)以太網(wǎng)就是將商用以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，兩種網(wǎng)絡(luò)并沒有本質(zhì)的區(qū)別，兩者是兼容的。
(2) CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）
CSMA/CD最早是由CSMA改進(jìn)而來。
① CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問）：一個站要發(fā)送信號，首先要監(jiān)聽總線，以決定介質(zhì)是否存在其它站發(fā)來的信號。
? 如果介質(zhì)是空閑的，則可以發(fā)送；
? 如果介質(zhì)正處于工作狀態(tài)，則等待一段間隔后重試，當(dāng)聽到介質(zhì)處于忙狀態(tài)，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽信號：非堅持CSMA、1―堅持CSMA、P―堅持CSMA。
② CSMA/CD不但先聽后發(fā)，而且還邊聽邊發(fā)，總線上發(fā)生了沖突，而且一旦沖突被檢測到，便停止發(fā)送該幀，放棄自已的幀。為了使其它站也能知道產(chǎn)生了沖突，監(jiān)聽到?jīng)_突的站還向總線上傳播一個干擾阻塞信號，通知總線各站沖突已發(fā)生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加大，碰撞的機會會增加，網(wǎng)絡(luò)效率明顯下降。
3 工業(yè)以太網(wǎng)的特點
(1) 技術(shù)成熟，使用方便 以太網(wǎng)是美國XEROX公司于1975年推出的，至今已有30年歷史，得到全世界眾多廠家的支持，在軍事、工業(yè)、民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
(2) 具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開放性好 采用統(tǒng)一的IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CD，是IEEE802.3采用的介質(zhì)訪問控制技術(shù)，可以實現(xiàn)不同廠家之間的產(chǎn)品互聯(lián)，是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。
(3) 通信速率高，傳播速度快 以太網(wǎng)的通信速率目前已經(jīng)由10M提高到100M、1 000M，甚至10G。
(4) 可分段地實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、診斷和維護。
(5) 支持冗余連接配置，數(shù)據(jù)可達(dá)性強 數(shù)據(jù)有多條通路，可達(dá)目的地。
(6) 系統(tǒng)容量大，不會因為系統(tǒng)擴大出現(xiàn)不可預(yù)料的故障，有成熟可靠的系統(tǒng)安全體系。
(7) 投資成本低，包括初期投資、培訓(xùn)費用及維護費用。
(8) 線路采用變壓器雙端隔離或光纖，抗干擾性強。
4 工業(yè)以太網(wǎng)目前存在的問題
現(xiàn)場總線是用于工業(yè)控制并為復(fù)雜而又惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的，因此對系統(tǒng)的實時性和響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求，對供電方式使用環(huán)境有特殊要求。由于以太網(wǎng)是為信息通信而設(shè)計的，用于工業(yè)控制存在以下問題：
(1) 以太網(wǎng)采用CSMA/CD訪問協(xié)議，這是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)，對于實時性要求高的控制系統(tǒng)，這種不確定性將造成信息不能按要求傳遞。同一網(wǎng)段上受到CSMA/CD媒體訪問控制方式的制約。所謂網(wǎng)段是指連在同一共享式網(wǎng)絡(luò)總線上，可以偵聽到對方發(fā)出的信息，處于同一沖突碰撞區(qū)域（指會發(fā)生沖突碰撞的區(qū)域）的工作站和服務(wù)器連成的網(wǎng)絡(luò)區(qū)。例如在一個沖突碰撞區(qū)域中有一個工作群組（由一臺服務(wù)器和多臺工作站組成），當(dāng)多臺工作站訪問一個服務(wù)器時，由于受CSMA/CD的約束，同一時刻只允許一個工作站與服務(wù)器通信，其它工作站只能等待。各工作站爭搶通信信道，從而使工作站的通信產(chǎn)生延時，而且這種延時時間是不確定的，工作站愈多爭搶通信等待時間愈長，這種情況被稱為負(fù)荷愈重等待時間愈長。
若在一個碰撞域中，假設(shè)有兩個工作群組，處于一個碰撞域中，第一個工作群組工作站訪問服務(wù)器時，要競爭網(wǎng)絡(luò)寬帶（例如100M），另一個工作群組中所有工作站及服務(wù)器都處于等待狀態(tài)而無法運行。兩個工作群組要分割原有網(wǎng)絡(luò)寬帶（100M），一個工作群組工作時，另一個群組必須等待，這樣不僅具有延時，而且這種延時是不確定的。由于CSMA/CD有無法預(yù)見的延時，特別在重負(fù)載下，實時數(shù)據(jù)傳送更得不到保證。控制系統(tǒng)要有實時性保證，必須在任何時間都要及時響應(yīng)，不允許有任何不確定性。因此以太網(wǎng)用于控制系統(tǒng)必須解決實時性和不確定性問題。
(2) 以太網(wǎng)在可靠性方面不如現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線是為工業(yè)控制設(shè)計的，能適應(yīng)易燃、易爆（如化工、制藥）、干擾強烈場合及其它環(huán)境惡劣的場合。現(xiàn)場總線有屏蔽，接地與防爆等措施，而以太網(wǎng)需要解決這些問題。
(3) 現(xiàn)場總線規(guī)范要求網(wǎng)段上配有電源，為所有非自供電的設(shè)備提供電源，而以太網(wǎng)不提供電源，必須增加額外的供電電纜。
5 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用可行性
工業(yè)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制，對于上述問題，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)措施的實施，其實時性及可確定性取得很大改善：
(1) 不斷提高以太網(wǎng)速率：近來年以太網(wǎng)的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps并已廣泛應(yīng)用。目前10Gbps的以太網(wǎng)已經(jīng)商業(yè)化，數(shù)據(jù)傳輸時間大大縮短，響應(yīng)時間得到提高，系統(tǒng)的實時性及不可確定性得到了改善。
(2) 采用交換機以太網(wǎng)技術(shù)：由于共享式以太網(wǎng)工作站點爭搶信道而產(chǎn)生沖突碰撞影響了系統(tǒng)的實時性和不確定性，采用交換機以太網(wǎng)技術(shù)可使其得到改善。交換型的以太網(wǎng)中采用以太網(wǎng)交換機，交換機各端口之間同時可以形成多個數(shù)據(jù)通道，每個端口可連一個網(wǎng)段，端口之間幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD介質(zhì)訪問控制協(xié)議的約束。當(dāng)系統(tǒng)包括多個工作群組，一般讓每個組群單獨組成一個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段占用交換器（機）一個端口（如圖4所示交換機有A、B、C、D四個網(wǎng)段），各網(wǎng)段的工作大部分時間是獨立的，當(dāng)任意兩個網(wǎng)段需要信息交換時，交換機能在2個獨立網(wǎng)段之間建立信息通道（例如圖4的A、B），一旦信息交換結(jié)束，通道即斷開。
圖4 交換機隔離的網(wǎng)段
由此看出，交換式以太網(wǎng)可以克服共享式以太網(wǎng)存在的問題：
? 交換機每個端口上，可連接一個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段可獨享帶寬；
? 交換機每個端口上，所接網(wǎng)段之間是獨立的、被隔離的，如需要網(wǎng)段間進(jìn)行信息通信的話，可以暫建立信息信道，經(jīng)過交換機的隔離，可大大減小沖突發(fā)生的概率，改善實時性和不確定性；
? 交換機VLAN技術(shù)的普遍采用，使交換系統(tǒng)能夠分配給控制信息點專有的通道和帶寬，從而保證在網(wǎng)絡(luò)繁忙的時候，控制系統(tǒng)仍有足夠?qū)捲５膸挘挂蕴W(wǎng)信息傳輸?shù)膶崟r性和不確定性基本上保持在理論的水平上。
(3) 在某些應(yīng)用場合允許的情況下，盡量將控制網(wǎng)與信息網(wǎng)分割開來使用，以避免實時數(shù)據(jù)與非實時數(shù)據(jù)的碰撞，使工業(yè)控制站點之間的以太網(wǎng)為獨立網(wǎng)段，從而改善實時性和不確定性。除此之外，還可以采用全雙工技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，以及在Ethernet+TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范等措施。采取以上措施可以使工業(yè)以太網(wǎng)在某些軍事、工業(yè)、民用的領(lǐng)域的現(xiàn)場測控中得到初步應(yīng)用。例如，國外不少國家核加速器最新測控方案選擇了以太網(wǎng)，除此之外汽車裝配線、薄鋼生產(chǎn)線等均采用工業(yè)以太網(wǎng)的方案，從測控領(lǐng)域的發(fā)展方向上看，工業(yè)以太網(wǎng)將是未來測控領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向，也是企業(yè)管控一體化和智能建筑系統(tǒng)集成的一種最佳方案。
(4) 以太網(wǎng)的供電問題，多年來一直是一個缺陷，特別是隨著IP電話、IP攝像機、無線AP、ENC（Ethernet Control System）等系統(tǒng)的應(yīng)用，人們更提出以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時，傳送部分能量，以滿足小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用電的需求，解決小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的無序狀態(tài)和居高不下的電源布線成本。因此IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)呼之即出，已形成一個以太網(wǎng)供電的國際標(biāo)準(zhǔn)，目前3COM、華為、DLINK等公司都有符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的交換機產(chǎn)品。IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的核心是在滿足802.3 標(biāo)準(zhǔn)的同時，由交換機向網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備提供48V或24V電源，至此工業(yè)以太網(wǎng)的供電問題得到很好的解決，其原理如圖5所示。
圖5 以太網(wǎng)自供電原理圖
(5) 以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò)形式，TCP/IP協(xié)議是一種開放通信協(xié)議。安全問題不屬于網(wǎng)絡(luò)形式和TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的安全性最終關(guān)心的是在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膽?yīng)用層信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及傳輸?shù)陌踩煌夂鮾煞N方式：專有獨立通道和信息加密。前一種方式目的是讓不該得到的得不到，后一種方式讓不該得到的得到了也不知道。以太網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)交換技術(shù)現(xiàn)已成為一種最基本的網(wǎng)絡(luò)專用通道技術(shù)，已經(jīng)非常成熟并廣泛使用。以太網(wǎng)可以很方便的將需要的通道隔離出來。Internet的信息加密是TCP/IP之上的基本與之無關(guān)的應(yīng)用信息處理方法。信息在發(fā)出之前要進(jìn)行加密處理，信息在使用之后要進(jìn)行解密處理。現(xiàn)在基本上都采用公開的加密算法，秘密不靠加密方法保證，而是靠密碼（key）。信息安全的最后和最關(guān)鍵的因素是持有重要密碼的人，他保管使用密碼的過程、方式是通信系統(tǒng)的安全的核心。
6 工業(yè)以太網(wǎng)在智能建筑中的應(yīng)用實例
(1) ENC-2001IP工業(yè)以太網(wǎng)測控系統(tǒng)簡介
北京樓宇自動化工程中心（簡稱為北京樓宇自控中心）采用ENC-2001IP工業(yè)以太網(wǎng)測控系統(tǒng)對某小區(qū)15棟高層住宅的充配電、換熱、采暖、通風(fēng)、供水、消防、三表查收及樓宇對講六個子系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，取得較好效果。
ENC工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖6所示。
這些ENC參量控制模塊可以把智能建筑各子系統(tǒng)集成到以太網(wǎng)、電梯系統(tǒng)、火災(zāi)報警等傳統(tǒng)設(shè)備上，帶有RS232或RS485接口，分別可接到ENCTRS200及ENCTRS400網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊集成到以太網(wǎng)上，而IP電話及IP攝像機可以直接集成到以太網(wǎng)上。除此之外還提供CDMA/GRPS無線網(wǎng)關(guān)接口，例如系統(tǒng)報警信息即可通過該網(wǎng)關(guān)接口直接發(fā)送到手機上，并可通過手機對系統(tǒng)進(jìn)行控制。
圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
AI：模擬量輸入模塊（ENC AI） DI：數(shù)字量輸入模塊（ENC DI）
AO：模擬量輸出模塊（ENC AO） DO：數(shù)字量輸出模塊（ENC DO）
FI： 脈沖輸入模塊（ENC FI） FO：脈沖輸出模塊（ENC FO）
網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：對底層設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。
WEB服務(wù)：完成對整個系統(tǒng)的操作控制。
本地監(jiān)控管理站：實際上是本地監(jiān)控瀏覽器（Broswer）通過瀏覽器，可對系統(tǒng)監(jiān)視。
遠(yuǎn)程工作站：實際上是遠(yuǎn)程監(jiān)控瀏覽器（Broswer）在網(wǎng)上通過瀏覽器對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視
(2) ENC參量集成模塊
ENC參量集成模塊由北京樓宇自控中心開發(fā)。
① 功能
? 內(nèi)嵌WEB SEVER，可以通過瀏覽器直接對其進(jìn)行監(jiān)控，配置校準(zhǔn)；
? 客戶認(rèn)證功能；
? 內(nèi)嵌防火墻功能；
? 支持SOCKET的通信規(guī)程；
? 完善的TCP/IP協(xié)議；
? 10/100baset符合IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口。
② 硬件結(jié)構(gòu)：由中央處理器MCU、以太網(wǎng)網(wǎng)卡、傳感器、執(zhí)行器、I/O接口以及存儲器（電子硬盤），電源組成，如圖7所示。
圖7 ENC網(wǎng)絡(luò)參量集成設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖
圖8 系統(tǒng)圖
③ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：內(nèi)嵌WEB SEVER，可與客戶端（Broswer）進(jìn)行通信，如圖8所示。
(3) ENC系統(tǒng)特點
① 實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一
取消控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的界限，控制信息化。所有設(shè)備通過ENC參量集成模塊或接口直接集成到以太網(wǎng)上，ENC參量控制模塊都是一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，內(nèi)嵌WEB服務(wù)器。
② 采用網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)管理方式
中央控制中心是一套主服務(wù)器，控制各參量集成模塊，可集中或分布處理各種數(shù)據(jù)，通過參量集成模塊完成各種類型控制要求。
③ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)方便靈活，擴展維護方便
該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行集成，智能建筑中局域網(wǎng)是不可缺少的，利用局域網(wǎng)這些模塊可以就近插接，不用重新布線，所需器件均為標(biāo)準(zhǔn)化的，組網(wǎng)方便靈活，擴展維護方便。
④ 將控制系統(tǒng)升級為服務(wù)系統(tǒng)
該系統(tǒng)始終貫穿一種服務(wù)的理念，將設(shè)備的控制升級為設(shè)備對外提供的信息服務(wù)。這種服務(wù)的對象可以為人，也可以為機器。建筑中有了眾多設(shè)備提供的優(yōu)秀服務(wù)，智能建筑就成了一套智能服務(wù)系統(tǒng)集合，這正是人們所期待的。
7 結(jié)語
20世紀(jì)90年代以來，工業(yè)以太網(wǎng)取代控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了嘗試，有不少成功的案例。以工業(yè)以太網(wǎng)為核心的測控技術(shù)是測控領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向，但其實時性、可靠性、安全性、互操作性等尚需進(jìn)一步研究完善。
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