細(xì)談應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢

以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)性能要求越來越高，以太網(wǎng)正逐步進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)的開放性使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

　　以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。

　　以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢非常明顯：1Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián);2以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示;3軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇;4通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。5可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

　　以太網(wǎng)進(jìn)人工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣也存在一些問題，其中主要的是：1實(shí)時性問題：以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實(shí)時的。一條總線上掛多個節(jié)點(diǎn)平等競爭總線，等待總線空閑。這種方式很難滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shí)時性的要求。這也是以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工控領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸;2對工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性：以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)的，需要使抗干擾能力、外觀設(shè)計(jì)等符合工業(yè)現(xiàn)場的要求。3適用于工業(yè)自動化控制的應(yīng)用層協(xié)議，目前信息網(wǎng)絡(luò)中定義的應(yīng)用層協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時通信。因此，還需定義統(tǒng)一的應(yīng)用層規(guī)范。 4本質(zhì)安全和網(wǎng)絡(luò)安全：工業(yè)以太網(wǎng)如果用在易燃易爆的危險(xiǎn)工作場所，必須考慮本質(zhì)安全問題。另外，工業(yè)以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。5QOS（Quality of Service）問題：隨著技術(shù)的進(jìn)步，在工廠控制底層的信號已不局限在單純的數(shù)字和模擬量上，而是包括Audio及低分辨的Video信號，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)不同用戶需求及不同的內(nèi)容適度地保證實(shí)時性的要求。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以上出現(xiàn)的問題已經(jīng)完全或部分得到解決。1近些年來出現(xiàn)了快速交換式以太網(wǎng)技術(shù)，采用全雙工通信，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實(shí)時性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率;2對于不同工業(yè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商采取了專門的抗干擾措施，使其更加符合工業(yè)需求;3在應(yīng)用層協(xié)議方面用戶可以根據(jù)需要對TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行增減，另外還需要制定更加符合工業(yè)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;4設(shè)備生產(chǎn)商提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的器件，使用密封性好，堅(jiān)固、抗震動的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件用來解決本質(zhì)安全問題;采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理，但針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究;5隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提高和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的進(jìn)一步完善，QOS問題也得到了解決。

　　工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比較具有很大的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在多種工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著集成電路、工業(yè)以太網(wǎng)和嵌入式Internet技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時代將會很快到來，并成為最具開放性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這種新型的網(wǎng)絡(luò)體系，與現(xiàn)場總線在以太網(wǎng)方面的發(fā)展相呼應(yīng)，對傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個變革，必將為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來新的天地。但是，在某些領(lǐng)域例如：汽車控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等，由于其工作條件惡劣、實(shí)時性、可靠性要求高，均不適合工業(yè)以太網(wǎng)。從目前趨勢來看，工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場控制級毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來，它還難以完全取代現(xiàn)場總線，作為實(shí)時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。在很長的一段時期內(nèi)已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在，最有可能的情況是發(fā)展一種多種網(wǎng)絡(luò)并存的混合式控制系統(tǒng)。