一 工業(yè)以太網的概念 　　目前工業(yè)以太網已從信息層滲透到控制層和設備層，開始成為現場控制網絡的一員。如果把和工業(yè)控制有關的以太網內容都考慮的話，則可把工業(yè)以太網的概念延伸開去，使之具有廣義性。按照以太網在控制領域的應用現狀，可以歸納為3個方面： 　?。?）與其他控制網絡結合的以太網 　　以太網正逐步向現場級深入發(fā)展，并盡可能和其他形式的網絡融合，這是工業(yè)以太網所面臨的重要課題。但以太網和TCP/IP協議原本就不是面向控制領域的，在體系結構、協議規(guī)則、物理介質、數據、軟件、適用環(huán)境等諸多方面與成熟的自動化解決方案（如PLC、DCS、FCS）相比有很大差異，要想做到完全意義上的融合是很困難的。因此，其他控制形式與以太網保留各自優(yōu)點、互為補充，是目前以太網進入控制領域的最常見的應用方案。 　　（2）專用的工業(yè)以太控制網絡 　　且把它視作狹義的工業(yè)以太網，采用了和普通以太網不同的一些專有技術，用以太網的結構實現現場總線所具備的控制功能。傳統(tǒng)以太網采用總線式拓撲結構和CSMA/CD通信控制方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這個現象被稱為以太網的不確定性。這是影響以太網長期無法直接進入過程控制領域的重要原因之一，真正意義上的工業(yè)以太網應該能很好地解決實時性的問題。 　　此外，盡管工業(yè)以太網與普通以太網一樣符合IEEE802.3標準，但是由于工業(yè)以太網設備的工作環(huán)境與辦公環(huán)境存在較大差別，所以工業(yè)以太網設備要求能工作在較寬溫度范圍內、封裝牢固（抗振和防沖擊）、導軌安裝、電源冗余、24VDC供電等。另外，用以太網完成控制網絡解決方案必須滿足可靠性方面的需要。 　　（3）嵌入式以太網控制 　　隨著信息技術的發(fā)展，樓宇、工廠乃至家庭都開始大量安裝以太網來共享信息，這些通用以太網靈活方便，費用低廉，與Internet自然結合。因為Internet的原因，這一類結構將肯定獲得快速的增長。 　　嵌入式Internet是當前網絡應用的熱點，就是通過Internet，使所有連接網絡的設備彼此互通互聯：從計算機、PDA、通信設備到儀器儀表、家用電器等。這些設備一般通過局域網和Internet相連，而不會直接撥號上網。在以太網占局域網統(tǒng)治地位的今天，一種嵌入式的、支持TCP/IP的網絡控制器將成為這些設備進入局域網乃至因特網的基礎。但這種由普通以太網構成的局域網在應用層上不能滿足實時通信、復雜的工程模型組態(tài)以及設備間的高可互操作性，也不能滿足工業(yè)現場某些方面的特殊要求，如本質安全、惡劣環(huán)境、可靠性等。它主要是使通用以太網能接納帶串行通信口的現場設備，達到數據采集和監(jiān)控的目的。 二 工業(yè)以態(tài)網控制系統(tǒng)的3種設計方案 1. 以太網與控制網絡的集成系統(tǒng) 　　企業(yè)網絡一般包含處理企業(yè)管理與決策信息的信息網絡和處理企業(yè)現場實時測控信息的控制網絡兩部分。信息網絡一般處于企業(yè)中上層，處理大量的變化多樣的信息，具有高速、綜合的特征?？刂凭W絡主要位于企業(yè)中下層，處理實時的、現場信息，具有協議簡單、容錯性強、安全可靠、成本低廉等特征。 　　因此，企業(yè)網絡是控制網絡與信息網絡的集成，實現集成、統(tǒng)一的企業(yè)網絡成為企業(yè)綜合自動化與信息化的努力目標。 　　按照這個目標，可以在以太網基礎上將控制網絡與信息網絡統(tǒng)一構建，設計一種混合控制的網絡結構，典型系統(tǒng)如圖1所示。 　　該系統(tǒng)由現場總線、PLC、嵌入式控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機、工作站、數據庫服務器、文件服務器、網關設備、交換式以太網組成。根據混合程度和控制功能的強弱，其具體的物理結構和實現存在很大的差異。 　　系統(tǒng)以交換式集線器或網絡交換機為中心，包括數據庫服務器和文件服務器，采用星型拓撲結構。 　　以太網絡交換機有10Mb/s、25Mb/s和100Mb/s等帶寬端口，一般通過100Mb/s的網絡交換機端口連到服務器，以滿足工業(yè)PC、PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務器時對網絡寬帶的要求。監(jiān)視工作站用于監(jiān)視控制網絡工作狀態(tài)，如要求監(jiān)視工作站具有多媒體功能，可接入25Mb/s端口?？刂圃O備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、現場總線控制網絡、PLC、嵌入式控制系統(tǒng)等。一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通過以太網卡接入網絡交換機或交換式集線器；現場總線控制網絡通過數據網關與以太控制網絡互聯；PLC的接入有兩種情況：（1）帶有以太網卡的PLC可通過以太網接入網絡　交換機或交換式集線器；（2）普通不帶有以太網卡的PLC要通過RS-485/232轉換，然后由工業(yè)計算機自帶的以太網卡接入網絡交換機或交換式集線器。高速控制設備可通過25Mb/s端口接入；一般控制設備，數量較多，可接入10Mb/s交換式　集線器端口。 　　當控制網絡規(guī)模較大時，可采用分段結構，連成更大的網絡。每一個交換式集線器及控制設備構成相對獨立的控制子網，若干個控制子網互聯組成規(guī)模較大的控制網絡。 2. 專用工業(yè)以太網 　　a. 對于以太網不確定性的改進 　　傳統(tǒng)以太網采用總線式拓撲結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通信方式。在實時性要求較高的場合下，因為信道競爭和碰撞，數據的傳輸可能會產生延滯。一般認為以太網的這種“不確定性”導致它不能滿足控制系統(tǒng)的實時性要求。雖然以太網本質上不是一個確定型的網絡，但對以太網的研究表明，采用以下措施能有效地改進確定性： 　　（1）采用快速以太網加大網絡帶寬 　　通過采用提高帶寬、限制總線上站點數目、控制網絡流量等措施后，在相同通信量的條件下，可以使總線型網絡保持在輕負載工作條件下。因而減少了因競爭信道而引起的碰撞，相應地提高了實時性，也提高了網絡通信的確定性。 　?。?）采用交換式以太網 　　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且競爭信道導致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費，同時還可實現全雙工通信，提高信道的利用率。 　　據估算，在共享型以太網中，當負載在10％以下時，網絡可以保持確定性，這個數據對應于10M和100M的網絡分別意味著120kb/s和1200kb/s的傳輸速度。而采用交換式以太網后，負載可上升到50%，傳輸速度可達600kb/s和6000kb/s。交換式以太網有效避免了碰撞域，從而顯著提高傳輸效率。 　　但網絡帶寬不是無限的，且交換式以太網中仍存在著端口競爭，碰撞和等待現象沒能徹底消除。針對這個問題，一些廠商開發(fā)出一些獨到的技術手段運用到以太網上，改造出自己的專用網絡。這些技術包括：（a）采用專門的以太網集線器技術，以集線器作為網絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸的數據包進行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數。這種智能化的集線器還可動態(tài)檢測需要通信的現場設備所在的以太網I/O接口，通過分配地址空間把內部通信從外部通信中分離開來，保持現場控制信息的獨立性；（b）實時現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，保證實時數據不會產生傳輸延滯和線路阻塞；（c）在以太網的協議中加入實時功能，通過底層協議的集成，確保以太網的確定性和兼容性。 　　b. 有效提高以太網可靠性的相關措施 　?。?）以太網工業(yè)級部件已相繼出現。西門子、斯達康等公司都相繼推出工業(yè)以太網系列產品; 　?。?）由于以太網的失敗重發(fā)機制，要徹底解決以太網中單點故障擴散現象從理論上講是不太可能的，但是可通過采用一些措施盡可能減少該現象，以提高整個系統(tǒng)的可靠性：（a）采取冗余配置。通信網絡和節(jié)點的通信器件采用冗余配置和自動無擾切換，其前提是具有有效的故障診斷手段；（b）在可能的情況下配置一個實時網絡監(jiān)控軟件，不斷監(jiān)視整個網絡的通信狀況以及每一個節(jié)點的軟硬件工作情況，一旦發(fā)現異常，應能迅速將故障節(jié)點隔離開來，并做出相應報警。 　　c. 關于應用層協議 　　當以太網用于信息技術時，應用層包括HTTP、FTP、SNMP等常用協議。但當它用于工業(yè)控制時，體現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議。目前還沒有統(tǒng)一的應用層協議，但受到廣泛支持并已經開發(fā)出相應產品的有Rockwell和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP、FF開發(fā)的HSE、Schneider開發(fā)的Modbus/TCP以及受Simense公司支持的由Profibus Interna-tional組織的Profinet。 　　d. 專用工業(yè)以太網實例 　　美國Optimation公司E-Control系統(tǒng)（易控系統(tǒng)）是由Optimation公司的OptiLogic以太網控制器和Think＆Do軟件為核心，結合配套的硬件模塊、網絡和布線模塊等構成集成工業(yè)自動控制系統(tǒng)。它采用特殊的主從傳輸協議，相關的I/O連接在獨立網絡上（不與普通辦公網絡相連），如同完全確定的控制網絡一樣地工作，其響應速度遠遠超過普通以太網。OptiLogicRTU以太網控制器的基架母板帶1個以太網接口、1個標準RS-232接口、以及不同數目的I/O模塊插槽、I/O測控模塊可直接插到相應的槽中。每個OptiLogic以太網控制器可配置多個功能齊全的I/O模塊，如DI（遙信）、DO（遙控）、AI（遙測）、AO（遙調）、高速計數、雙串口通信等，經過RS-232/485轉換器也可直接連接設備。 　　某化工企業(yè)自動包裝車間設計的現場控制系統(tǒng)采用了易控方案。根據設計需求，系統(tǒng)采用了12塊高速脈沖計數輸入模塊（OL2258），2塊8通道4～20mA模擬輸入模塊（OL2418），3塊8點DC輸入模塊（OL2208），2塊8點繼電器輸出模塊?。∣L2l08），5塊OL2304四通道電壓輸出模塊（各通道獨立），加上OptiLogic以太網控制器和Think＆Do軟件、交換式智能集線器，組成E-Control系統(tǒng)。 　　因為系統(tǒng)對可靠性要求很高，為防止主計算機的偶爾故障導致系統(tǒng)工作癱瘓，設計使用雙冗余計算機，2臺工業(yè)計算機配備同樣的Think＆Do控制軟件，除同時接入以太網外，還在2臺計算機間連接1個串口電纜（不占用網絡），2臺計算機利用此串口能互相監(jiān)視對方是否工作正常。 　　其中l(wèi)臺運行全部程序，作為主計算機，主計算機的網卡會被激活，同整個控制系統(tǒng)交換信息；另l臺處于熱備份狀態(tài)，稱為從計算機，從計算機的網卡則被禁止，僅監(jiān)視主計算機是否工作正常。一旦“從計算機”發(fā)現“主計算機”不能正常工作，則立即運行主程序，變成“主計算機”，另1臺計算機則在故障恢復后成為“從計算機”，并互相繼續(xù)監(jiān)視對方。2臺計算機中只有1臺計算機的網卡被激活的原因是2臺計算機共用1個IP地址，從而實現數據傳輸的唯一性。 　　根據以上配置，共需要采用24塊I/O模塊。由于OptiLogic以太網控制器的機架最多為8個I/O模塊插槽，所以選用3個8槽RTU基架（OL4058），并配置相應操控面板。 　　3個8槽RTU機架、2臺工業(yè)PC和1臺網絡打印機共6個節(jié)點構成車間子網絡，使用1個3COM公司的8端口交換機。系統(tǒng)結構如圖2所示。6個網絡設備和交換機構成星形拓撲結構。此系統(tǒng)易于擴充，安裝測試方便。若需增加I/O測控，只要增加OptiLogic以太網控制器，插入相應I/O模塊，然后用直通電纜連接到交換機的端口即可。 　　不僅如此，該車間子網更可以作為下層控制網絡連接到上層以太網中，工業(yè)PC作為站控單元出現，變成一個控制工作站。 　　Think＆Do控制軟件最大的特點是具有突出的網絡數據庫共享能力——TagLink。TagLink功能是一種通信接口，無須開發(fā)，即可通過10M/100M以太網使多臺裝有Think＆Do軟件的控制計算機互相通信，共享統(tǒng)一的編程開發(fā)環(huán)境和統(tǒng)一、全局的控制數據庫。無論I/O節(jié)點在什么地方，屬于哪臺控制計算機管理，其他計算機上都可獲取其信息，如同自己的I/O信息表一樣。Think＆Do軟件系統(tǒng)既可工作在站控單元內，也可作為上位主機控制軟件。雖然各臺計算機通過10M工業(yè)以太網和OptiLogicRTU執(zhí)行I/O控制邏輯，但整個控制系統(tǒng)卻如同在一臺計算機上運行。 　　易控方式打破了原先孤島式的站控系統(tǒng)，使全局I/O連成整體，其優(yōu)點是不言而喻的。 3. 基于通用以太網的控制系統(tǒng) 　　建立在普通以太網基礎上的控制功能相對于現場總線和實時以太網來說明顯較弱，但因為這種系統(tǒng)充分利用普通以太網進行數據采集和監(jiān)控等工作，具有相當廣泛的應用范圍，因此得到了很快發(fā)展。 　　該類系統(tǒng)由系列化的模塊組成，通常采用便攜式產品，也有一部分使用板卡形式。核心模塊是能獨立編程并運行的智能嵌入式控制器，完成TCP/IP協議轉換與通信控制功能。除此之外，這些模塊還包括I/O數據采集、RS-232與RS-422/485轉換、專用I/O擴展總線板卡、輸入及輸出終端設備。 　　臺灣泓格科技（ICP DAS）的牛頓模塊系列產品頗具代表性。I-7188系列嵌入式控制器是牛頓模塊的核心，其一般由1個10Base-T以太網口結合若干個COM通信口和數字I/O口組成，可將串口設備、RS-485網絡和以太網連成一體，加上I-7000系列遠端I/O控制模塊，就能組成基于通用以太網基礎上的監(jiān)控平臺。 　　以7188系列中的兩代產品7188EN/EX為核心設計的以太網監(jiān)控平臺如圖3所示。通過I-7188控制器、各種串口設備、RS-485網絡和PLC設備等都可連接到以太網上，并通過網絡進行控制和數據傳送。 　　I-7188EN與I-7188EX作為嵌入式網絡控制器都支持TCP/IP協議簇，I-7188EN面向網絡通信，I-7188EX則側重于設備控制，因此I-7188EN比I-7188Ex有更多的RS-232/RS-485通信口，但省去了RTC實時鐘電路單元，并且減少了SRAM、NVRSRAM和Flash Memory的容量。這種嵌入式以太網控制器使用40M的80188CPU和獨立的Mini0S7操作系統(tǒng)，與?！∫?guī)的DOS相比，Mini0S7更適于嵌入式應用。 　　可以通過串口或網絡接口對控制器進行遠程設置，裝載各種程序。有了這種控制器，可輕松地將各種具備RS-232/485/422接口的設備接入以太網，為它們分配地址或網絡端口，并能完成數據和協議的轉換。于是主機通過以太網就能方便地對不同設備實行各種數據采集和監(jiān)控。 三 以太網能否取代現場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)網絡標準 1. 預測未來是最艱難的事 　　現場總線是專為工業(yè)現場層設備通信設計，是為自動化量體裁衣的技術。以太網設計初衷是辦公網，用于數據處理。從技術比較出發(fā)似乎很容易得出結論，但技術發(fā)展受社會政治、經濟影響，市場因素很大程度左右技術走向，回顧計算機發(fā)展歷史，這種先例不勝枚舉。因此，以太網在工廠自動化車間監(jiān)控層及管理層將成為主要應用技術，特別是采用TCP/IP協議可與互聯網Internet連接，是未來eManufactory的技術基礎。在設備層，在沒有嚴格的時間要求條件下，以太網也可以有部分市場，但在以太網能夠真正解決實時性和確定性問題之前，大部分現場層仍然會首選現場總線技術。 2. 一體化與多元化并存 　　面對這樣一個多種工業(yè)總線技術并存的現狀，我們應該有一個豁達的心態(tài)。哲學家告訴我們，一體化與多元化是一對互為依存的矛盾，將長時間共存與競爭；以太網反映了人們要求技術標準化、一體化的愿望，而現實是不能用一種技術覆蓋各行業(yè)所有的不同需求。IEC61158的發(fā)展歷程就給了我們一個深刻的啟示，我們必須學會面對一個多種工業(yè)總線技術競爭和共存的現實世界。 3. 可能的解決方案 　　在面對具體問題時如何作出選擇呢？我們認為，就事論事是明智之舉。簡單地說，項目最適合使用什么技術就采用什么技術。 　　a. 車間級生產信息集成更適合使用以太網 　　理由如下：（1）多數加工設備具有RS-232C接口：如條碼機，專用設備；（2）實時性、確定性、可靠性要求不高；（3）與上層網絡的信息規(guī)范和軟件接口兼容。 　　b. 設備級控制優(yōu)先選用現場總線技術 　　理由如下： 　　（1）實時性、確定性、可靠性要求； 　?。?）專用性：如需要嚴格同步的運動控制采用Sercos，Profibus-DPV2； 　　（3）可靠性：工業(yè)級的傳輸層增強系統(tǒng)可靠性； 　?。?）現場總線技術種類、產品繁多，能夠提供各種成本的解決方案。 　　c. 其他 　　根據技術要求，就事論事地選擇解決方案。 四 結束語 　　因為工業(yè)以太網作為控制網絡中的新生力量，本身在某些技術上需要很大改進，加上其未來發(fā)展趨勢不是很明朗，以至于存在兩種不同的觀點：一種認為工業(yè)以太網將使控制網絡走向統(tǒng)一；另一種則認為工業(yè)以太網不過是傳統(tǒng)控制網絡的補充，其最大的發(fā)展余地只是控制網絡的上層網，充當一種集成公用網的角色，而不是直接面向現場控制領域。筆者認為：以太網可從不同途徑進入控制領域，雖然有很多產品已使以太網直接走進控制現場，但其應用主流仍以一種信息網絡方式出現，作為一體化的網絡控制形式還任重而道遠。