浅论工业以太网技术
1.引 言
网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的控制网络技术是现代自动控制技术与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，也是信息化带动工业化的重点方向。目前网络控制技术正从传统的控制网络技术——现场总线向现代控制网络技术——工业以太网技术的方向发展。
2.工业以太网的产生
工业以太网是西门子公司提出的一种基于以太网通讯的一种工业用的通讯模式。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。以太网是按IEEE802.3标准的规定，采用带冲突检测的载波侦听多路访问方法(CSMA/CD)对共享媒体进行访问的一种局域网。其协议对应于ISO/OSI七层参考模型中的物理层和数据链路层，以太网的传输介质为同轴电缆、双绞线、光纤等，采用总线型或星型拓扑结构，传输速率为10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps或更高。在办公和商业领域，以太网是最常用的通信网络，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。
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。首先，基于TCP/IP的以太网是一种开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题;其次，低成本、易于组网是以太网的优势。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。
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。
3.工业以太网的构成
一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件： ·网络部件
·连接部件：
FC（快速连接插座） ELS(工业以太网电气交换机) ESM(工业以太网电气交换机)
SM(工业以太网光纤交换机)
MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块)
·通信介质：普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤，工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）、多模或单模光缆。10Mbps的速率对双绞线没有过高的要求，而在100Mbps速率下，推荐使用五类或超五类线。光纤链接时需要一对，常用的多模光纤波长为62.5/125μm或50/125μm。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内芯很细，只有10μm左右。通常，10Mbps使用多模光纤，100Mbps下，单模、多模光纤都适用。
4.工业以太网的特点
虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程,对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。既有与信息网络相同的特点，也有自己不同于信息网络的显著特点：
（1）工业以太网是一个网络控制系统，实时性要求高，网络传输要有确定性。
（2）整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的工业以太网以及现场设备层（如现场总线）。管理层通用以太网可以与控制层的工业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信。
（3）工业以太网中周期与非周期信息同时存在，各自有不同的要求。周期信息的传输通常具有顺序性要求，而非周期信息有优先级要求，如报警信息是需要立即响应的。
（4）工业以太网要为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，同时也要为非紧要任务提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协议。
5.工业以太网的优势
（1）应用广泛。以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。
（2）工业级电源和总线供电技术。工业级电源输出功率大，滤波功能完善，抗干扰能力强，电源采用冗余结构，可靠性高；采用总线供电技术减少了网络线缆，降低了安装复杂性和投入资金，以提高了网络和设备的易维护性。
（3）传输速率快。目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
（4）实时性。现行工业以太网采用了全双工通信、交换机技术。另外同步分散实时时钟协议以及高速通道协议等新技术的应用，也使实时性问题得到很好的解决。
（5）资源共享能力强。随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
（6）工业适应性更强。工业控制系统在设计时，提高了设备外壳的可靠性；添加了速度更高的网络
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组态算法；采用智能管理系统对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理；并在主干网络采用光纤通信以提高网络的抗干扰能力和可靠性。
（7）网络安全性。采用两级防火墙机制，分别屏蔽外部和内部网络的非法访问。还通过用户密码、数据加密、等多种安全机制加强网络的安全管理。目前市场上也有很多针对工业自动化控制网络安全的成熟软件，如PROFIsafe、CIPSafety 等。
（8）本质安全。通过对以太网现场设备采取增安、气密、浇封等防爆措施使设备发生故障时产生的电火能量不会外泄,并尽量采用低功耗的现场设备和交换机来保障系统使用的安全性。
（9）功能扩展性好。目前的工业以太网支持网络的视频传输，人机界面（HMI）以及触摸屏都得到了及时应用。随着科技的进步，工业以太网还将添加更多的应用。
（10）可持续发展潜力大。以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投人，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。
6.工业以太网的应用
随着生产过程自动化水平的提高及网络建设的同步跟进，不少企业网络已覆盖到企业的各厂和各个车间，使现场设备层及生产监控层的DCS、PLC系统各个功能有可能得到更好的利用，为充分发挥信息在企业管理中的效益提供了良好的环境。因此建立统一的信息管理平台，使有使用价值的信息不致沉淀及流失，从更高层次发挥管理信息的效益是高层管理人员普遍关注的。信息平台建设是为指导发展生产服务的，为了提高科学管理和决策水平，建设重点应放在主线上。现以某冶炼企业为例，由于系统相当庞大和复杂，在企业平台建设中，以下子系统被考虑成重点建设对象。 (1) 生产计划管理系统
它可以按照各种生产指标并根据公司的生产能力制定出公司的年、季、月产品产量计划和各种消耗定额等;按照产品产量计划及消耗定额，编制原、燃料、水电消耗计划;按照产品产量计划制定各部门的工作计划。
(2) 生产调度指挥系统
它是整个生产管理的智能管理中心，是集数据通信、处理、采集、协调、图文显示为一体的综合数据应用系统，能在各种情况下准确、可靠、迅捷地做出反应及时处理生产过程中产生的问题，协调各车间工作，达到实时、合理监控的目的。为各级管理者提供实时生产信息(过程数据、分析数据)，精确地监视生产过程，以提高生产过程控制水平和设备的监控能力。
(3) 办公自动化系统
它通过文件管理、信息服务、个人事宜和办公管理等子功能模块以实现文件的起草、校稿、批阅和存档以及公司会议的通知、记录等形式的自动化办公。 (4) 财务管理系统
它采用专用财务管理软件，由专业财务人员进行操作。它将有关财务管理软件进行无缝集成，以方便使用和维护。
(5) 物资管理系统
物资管理就是通过用料申请计划、采购、仓储、保管、领用等活动，解决物资供需之间存在的时间、空间、数量、品种、规格以及价格和质量等方面的矛盾，衔接好生产中的各个环节，确保生产的顺利进行。
(6) 设备管理系统
通过设备管理系统，设备管理部门可以对各车间的设备进行信息管理，包括查看设备的运行状况，对设备安排检修，查看设备的检修记录，添加设备，报废设备等操作。
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(7) 视频监控系统
通过遍布各个关键岗位的摄相头，可以实时地监控各关键岗位的工作情况以及重要设备运行情况，并保存(如大约一周左右的)录像资料。
由于信息管理平台具备相关生产工艺过程基本数据的采集、传输、处理、显示与化验数据分析、统计等功能，对生产调度、生产指挥、生产协调起到了积极的作用，最终，使反映生产工艺过程的基础数据得到及时反映，为生产过程中出现问题快速做出决策，提供了积极的手段和方法，增加了处理问题的灵活性、机动性。更为关键的是，借助生产信息化管理系统，给管理人员注入了新的生产管理理念，同时也为企业带来了明显的经济效益。
7.工业以太网的发展前景
从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。
首先，嵌入式以太网是一个重要发展方向。嵌入式Internet正成为当前国内外IT业发展的热点领域。利用工业以太网与Internet连接可实现无缝集成这一优势，将已广泛应用的嵌入式系统接入Internet网，那么就可实现基于Internet的远程测控。嵌入式Internet的广泛应用必将使工业测控领域得更加自动化、智能化和人性化。
其次，工业以太网有向傻瓜式发展的趋势。现代社会越来越崇尚简约之美。技术在发展，性能在提高，人们还要求新新事物更容易被接受和操纵。人机界面以及触摸屏等人性化的技术的出现让我们看到了希望，未来的工业以太网将会用尽量少的组态程序来实现所需要的功能，布线简单，原理模糊化，一块小小的模板可以实现整个工业以太网的运作。
第三，工业以太网向家庭化发展。以太网已经经历了办公自动化(OA) →工厂自动化( FA) →楼宇自动化(BA) 而现在正向家庭自动化( HA) 领域扩展。在家庭自动化领域一个最大的困难便是布线。因此现正在发展电话线的HomePNA ,无线,红外以及电力载波等组网技术。随着这些技术的快速发展, 成本则相对下降, 未来势必会反向推动BA ,FA ,OA 领域。不久的将来,我们将可以看到工厂的现场,除了光纤通信的工业以太网外,还有许多需移动的设备均采用无线方式,或在电力线上传输数据。
8.工业以太网的国内发展趋势
由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。
目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备，其研究目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。 这几年来，我国在攻克以太网实时性、总线供电和远距离传输等一系列难题方面已经取得了很大的成果。
但是，以太网用于工业控制目前尚处在研究及解决当中，主要有以下问题： （1） 实时性问题； （2） 可靠性问题； （3） 安全性问题； （4） 供电问题。
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实时性问题是指传统以太网由于采用载波侦听多路访问/冲突检测的通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输会产生传输延滞。可靠性问题是指以太网若采用UDP协议时，它提供不可靠的无连接数据报传输服务，不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。这些问题的解决，使以太网能够满足工业控制领域对传输延时要求，加快使其步入工业控制领域用于现场控制。
9.工业以太网存在的问题
以太网直接应用于工业领域也存在一些实际问题：
1、现行的工业以太网缺乏一个通用应用层工业标准。以太网实际上只是一个物理层协议，并没有规定统一的对话层和应用层协议。这实际上降低了设备的互操作性,且大大减小了客户选择的余地。
2、网络的安全不能完全保障。首先，工业网络引入交换机，安全性虽大大提高了，但交换机本身就是一个漏洞。交换机各种配置及端口中的任何一项设置改变都会对以太网造成影响，因此漏洞很多；其次，随着工业以太网进一步发展和普及，用户会试图在一个网络节点上开发很多应用，相应也会带来安全性问题。
3、缺乏安全运行模式。工业以太网一旦遭到破坏，正常的生产控制以及情报安全就可能受到严重的破坏。在工业以太网中应事先设置网络安全运行模式，在网络出现严重问题并在可允许的恢复时间内，最基本的控制过程能被有效隔离，使之处于安全生产运行模式。
4、“一网到底”仍无法实现。在工业网络与企业网络之间、有线网络和无线网络之间，多种标准使用户“一网到底”的愿望无法实现。实时域与非实时域的隔离的技术已经有了，现在急需的就是制定唯一的网络标准。因工业以太网还在完善，实际应用中将它同现场总线相结合，多年未果的总线之争不得不让我们更加担心工业以太网的标准统一问题。
10.结束语
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。但我们也必须清醒地认识到目前工业以太网应用于工业现场还存在的一定的局限性。但是计算机网络、以太网以及控制领域中各种新技术的出现、发展和融合，必将引发工业控制领域更深层次的变革!
工业以太网技术的应用已经有了长足的发展，为解决工业应用中的实时性问题提供了多种手段，而且解决问题的方案也不是唯一的，只要遵循基本原理，针对工业控制现场的具体实际情况，其实这些问题都是可以解决的。
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