1、什么是工业以太网？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。它与其他的西门子通讯方式，比如 MPI、DP 总线等相比，显著的优越性是：速度快，稳定性高，抗干扰能力强，互联性和兼容性好，缺点可能就是它不菲的价格了，一块基本的 CP343-1 的以太网通讯模块价格就是近万元，所以现在的某些工业环境下，推广的力度并不是很大。当今时代，网络就是控制的理念已经越来越被用户所接受，传统的基于RS485，CAN 等总线的各种集散控制系统，由于其固有的缺陷，正在被基于TCP/IP 协议的工业太网所取代，工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的，它采用统一的 TCP/IP 协议，
2、避免的不同协议间通讯不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享，它可以用 IE 浏览器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的 ERP 数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话交换网和 GSM，GPRS 无线电话网实现远程数据采集，它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及，现在已经有大量的配套产品在使用中。如工业以太网 HUB，工业以太网防火墙产，工业以太网关，以太网转RS232/RS485 设备，以太网 A/D 模块，以太网 D/A
3、模块，以太网 AI 模块，以太网 AO 模块，以太网 DI 模块，以太网 DO 模块及复合功能模块。工业以太网技术作为现场总线具有哪些技术优势？一、工业以太网（Ethernet）基于 TCP/IP 的以太网是一种标准的开放式通信网络，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。 二、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。 三、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，利用以太网作现场总线，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
4、的资源、应用软件和数据库共享。 四、以太网易与 Internet 连接。任何地方都可以通过 Internet 对企业生产进行监视控制;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化。工业以太网简介工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即 IEEE 802.3 标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以
5、太网。一、 现场总线和商用以太网简介在介绍工业以太网之前，有必要先对现场总线和商用以太网进行简要介绍。现场总线技术是随着电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展而于80 年代中期产生的，它将智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展成为可能，使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。现场总线技术以其鲜明的特点和优点很快进入各个领域。国外各大控制设备制造商也相继开发了不同的现场总线，目前常用的现场总线已经有数十种，但这些现场总线难以形成统一的标准。因而在很大程度影响了现场总线的推广应用。另外，现场总线在网络方面的
6、特点使其与信息网络的集成变得十分自然，厂级信息网络系统几乎都是采用以太网，通过以太网可实现现场总线与信息网络的集成。 单一的现场总线显然已不能满足这方面的要求。在办公和商业领域，以太网是当今最流行、应用最广泛的通信技术，具有价格低、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，如今已成为世界上广泛采用的网络技术，并以迅猛的速度向各个领域扩展。但以太网要进入工业控制领域还需解决一些问题，以太网采用了载波侦听多路访问/碰撞（冲突）检测（ CSMA/CD）的传输规范，这无法满足工业控制中的实时性、确定性、可重复性等方面的要求; 此外，现有的高层协议也无
7、法满足工业控制的要求。二、商用以太网用于工业现场需克服的一些缺陷在讲以太网的主要缺陷前，有必要先了解一下以太网的通信机制。以太网是指遵循 IEEE802.3 标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。它最早出现在1972，由 XeroxPARC 所创建。当前以太网采用星型和总线型结构，传输速率为 10Mb/s， 100 Mb/s，1000 Mb/s 或更高。以太网产生延迟的主要原因是冲突，其原因是它利用了 CSMA/CD 技术。在传统的共享网络中，由于以太网中所以的站点，采用相同的物理介质相连，这就意味着 2 台设备同时发出信号时，就会出现信号见的互相冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点
8、访问介质前，必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用该介质。 ，如果有则必须等待，此时就发生了冲突。为了减少冲突发生的几率，以太网常采用 1-持续CSMA，非持续 CSMA，P-持续 CSMA 的算法 2 。由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。但其成本比工业网络低，技术透明度高，特别是它遵循 IEEE802.3 协议为各现场总线厂商大开了方便之门，但是，要使以太网符合工艺上的要求，还必须克服以下缺陷： （一）通信的非确定性 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要
9、足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用 CSMA/CD 方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。（二）通信非实时性 在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十 ms 内完成的。而同样由于以太网存在的 CSMA/CD 机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试
10、16 次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。 （三）商用以太网不具备高稳定性与可靠性传统的以太网在设计之初并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的恶劣的工况，严重的线间干扰以及机械、气候、尘埃等条件的恶劣，而且以太网的抗干扰（EMI）性能非常差，应用于危险场合时，不具备本质安全性能；因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。同时在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和
11、瘫痪。（三）安全性问题 在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。 在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行，即通过对 Ethernet 现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数
12、据的传输速率更快、实时性更高，并可与 Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。但同时也引人了一系列的网络安全向题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。（四）总线供电问题总线供电（或称总线馈电）是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。以太网从设计之初就没有考虑到这一问题，而工业现场存在着大量的总线供电需求。正因为有以上诸多问题，普通的商用以太网是不能够直接用于工业现场的控制的。为了解决这些问题工业以太网便应运而生。三、工业以太网的关键技术随着互联网技术的发展与普及推广，以太网传输速率的提高和以太网交换技术的发
13、展，传统商用以太网的上述问题在工业以太网中正在得到解决。工业以太网的关键技术在于：（一）通信实时性的解决1采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net 的通信速率从 10、100 Mb/s 增大到如今的 1、10Gb/s。在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降，从而提高其实时性。2采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总线型 CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。3降低网络负载。工业控制网络与商业控制网络不同，每个结点传送的实
14、时数据量很少，一般为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目，降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性。4应用报文优先级技术。在智能交换机或集线器中，通过设计报文的优先级来提高传输的实时性。（二）稳定性与可靠性的解决措施为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国 Synergetic 微系统公司和德国 Hirschmann, Jetter AG 等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准 DIN 导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的 DB-9 结构。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的
15、连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。（三）安全性问题 一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。（四）总线供电问题对于现场设备供电可以采取以下方法：1在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。2不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。四、工业以太网的优势（一）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 V
16、isual C、Java、VisualBasic 等都支持以太网的应用开发。（二）通信速率高目前，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。（三）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
17、比拟的。（四）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。五、工业以太网的应用现状与展望虽然工业以太网在一些行业的应用上已经真正实现了一网到底，但对于另一些行业，现场总线和工业以太网将会并存多年。现场总线和工业以太网是当前工业控制应用中普遍采用的两个技术。虽然多种现场总线技术之间存在互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速实时数据传输，以及信息网络存在协议上的鸿沟等导
18、致的“自动化孤岛”等问题。但在控制网络中，网络故障的快速恢复、本质安全等问题依然是制约以太网全面应用的主要障碍。因此，一般在设备层仍然广泛地采用了现场总线技术，而工业以太网应用主要集中在制造执行层与设备层之间。这样既减少了用户的投资风险，又保护了用户的已有设备和技术投资。可以预计，现场总线与工业以太网混存的状态还会持续相当长的时间。不过，可以肯定的是，以太网已经成为工业现场不可逆转的“存在”。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。六、
19、总结现场总线技术由于难以形成统一的标准，因而在很大程度影响了它的推广应用。另外单一的现场总线显然无法完成复杂的信息管理功能，这使其与信息网络的集成变得十分自然。传统商用以太网是当今应用最广泛的通信技术，具有诸多优点。但是，以太网被认为是一种“非确定性”的网络，不能满足实时性要求，也不符合工业现场恶劣环境要求。随着工业以太网的发展，通信确定性与实时性 、稳定性与可靠性、安全性、总线供电等问题在工业以太网中正在得到解决。人们普遍认为工业以太网是未来控制网络的最佳解决方案，具有广阔的发展前景。但就目前来看，工业以太网要使用专用的工业以太网交换机，通讯模块等价格不菲的设备，这使得工业以太网的推广应用受到一定影响。因此，现场总线与工业以太网混存现场总线作为以太网的子网而以太网作为现场总线的上级网的状态是目前较为现实的解决方案。并且会持续相当长的一段时间。
