1 引言
控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。像工业PC、OPC等技术，被镶嵌在传统的系统结构中，也只能是对系统的功能作些边缘性的提高。因此，为减轻繁重的编程工作和达到系统的简单化，需要对系统的结构作变革。随着信息技术的不断飞跃，工业控制领域中必然会产生一种能够弥补现场总线缺陷，实现全系统统一、高效、实时的控制策略。工业以太网就是适应这一需要而迅速发展起来的控制技术。近来以太网更是走向前台，发展迅速，引人注目。究其原因，是由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。而且多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注以太网。
2 工业以太网的形成及发展过程
以太网(Ethernet)起源于1975年美国Xerox公司建造的一个219Mbps的CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)系统,它以无源电缆作为总线来传送数据,在1000m的电缆上连接了100多台计算机,并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太(Ether)来命名,这就是如今以太网的鼻祖。
以太网是IEEE802.3所支持的局域网标准,按照国际标准化组织开放系统互连参考模型(ISO/OSI)的7层结构,以太网标准只定义了数据链路层和物理层,作为一个完整的通信系统。它需要高层协议的支持。A2PARNET在制定了TCP/IP高层通信协议,并把以太网作为其数据链路和物理层的协议之后,以太网便和TCP/IP紧密地捆绑在一起了。以后,由于国际互连网采用了以太网和TCP/IP协议,人们甚至把如超文本连接HTTP等TCP/IP协议组放在一起,俗称为以太网技术。
所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业现场的需要。简言之,工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。
传统的控制系统在信息层大都采用以太网,而在控制层和设备层则采用不同的现场总线或其他专用网络。随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，目前以太网已经渗透到了控制层和设备层,开始成为现场控制网络的一员。
3 工业以太网的体系结构
3.1 工业以太网的网络基础设施
工业以太网的网络基础设施有网络接口卡、中继器、集线器、交换机、网关、路由器、桥式路由器、网桥等，如图1所示。网络接口卡的主要功能是接收网络上传过来的数据包解包后，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机，或者将本地计算机上的数据打包后送入网络;
图1 网络硬件基础设施
中继器用在网络上2个节点物理上的连接，完成2个网络节点上信号的按位传递、信号的复制、调整和放大，以次延长网络的长度。一般地，以太网络标准中约定一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。集线器是网络中介设备，利用以太网网络集线器(Hub)可以把计算机与局域网连接起来。在星形网络结构中，集线器是所有网络客户的中心连接设备。集线器是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器;交换机也是作为中心设备将网络各终端连接在一起。它使用更方便、可以存储转发价格比较昂贵;网关用来转换网络协议或转换不同网络协议的网络地址;广域网中，通过使用路由器，可以实现任何网段间的通讯，即进行数据通讯路径的选择，有效的防止网络堵塞;网桥连接不同类型的网络，工作在数据连路层，用来转化不同类型的拓扑结构，一般应用在广域网中。
3.2 工业以太网网络设施发展情况
国外对以太网作为控制总线的研究已从理论阶段过度到开发阶段。惠普公司应用IEEE1451.2标准，生产嵌入式以太网控制器具有102Base T以太网接口，运行TCP/IP协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。NET silicon公司应用NET+ARM体系,生产嵌入式集成了TCP/IP的芯片。目前几个主要的现场总线组织也在开发基于以太网的现场总线协议，如FF、Profibus、ControlNet，更有一些公司已在开发具有以太网接口的仪表。现场总线基金会(Fieldbus Foundation)制定了一个HSE 计划(High Speed Ethernet Program),用高速以太网作为H2 的一种选择,他们已组织了一个来自20个厂家、40多人组成的庞大工作组，开发现场总线与以太网的连接产品，去年底已完成原形产品，现场总线基金会宣称,效果超出预期目标, 现已进入编写标准规范阶段。目前很多研究机构也在进行节点网络控制器的硬件架构和软件体系研究，为工业现场最底层的设备架设了单一高效的网络结构，形成了与现有Internet无缝连接的数据传输通道。如带有工业以太网接口的智能仪表、嵌入式智能控制器终端等。美国GE公司将以太网接口做在保护装置中,GE -HARRIS公司推出了带双以太网接口的D95测控单元装置，ABB也推出了带以太网接口的间隔控制器R580。美国ConnectOne 公司、Philips公司、emWare公司、TASKING公司和国内的P&S公司等均提供基于Internet
的Device Networking的软件、固件(Firmware)和硬件产品。OPTO22公司应用嵌入式Internet 技术，研制开发了“以太网I/O系统”—SNAP Ethernet I/O系统,通过Internet
对分布在现场的I/ O 进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。将网络功能嵌入终端设备中，使其可直接通过Internet/Intranet (企业内部网)进行网络通信、数据交换,实现远程组态、参数修改等。并且减少了诸如网关、代理服务器等中间环节，简化了网络结构，降低了安装、维护的难度和成本。同时现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高，可直接传送图像信息、多媒体信息，满足了工业控制系统的高要求。实行“e”网到底是工业控制网络必然的发展趋势，而可实现最底层设备直接融入网络的嵌入式技术必将获得长足的发展。
广东工业大学自动化学院在开发了嵌入式移动数据库的基础上开发出基于工业以太网的嵌入式网络控制器，该控制器是一套完整的基于摩托罗拉MCF5272处理器的嵌入式开发平台，如图2所示。集成TCP/IP协议和802.11b无线网络协议，系统集成摩托罗拉MCF5272处理器，16M SDRAM以及4M的FLASH，为系统研发提供了足够的空间。提供了非常丰富的外设接口:一个10M/100M 自适应快速工业以太网接口;一个RS-232、RS-485串口;一个USB1.1接口;一个BDM 调试口以及LCD液晶显示屏接口;触摸屏控制电路接口;PROFIBUS总线接口;8路A/D转换;2路D/A转换接口;方便工业控制传感器和执行单元的控制，2路PWM控制接口以及电源管理单元。核心板和底板配合构成一个最小的完整应用系统，系统具有体积小、耗电低、处理能力强、网络功能强大等特点，能够装载和运行嵌入式Linux操作系统。
图2 基于工业以太网的嵌入式网络控制器
系统通过集成两片MAX3232、MAX3485芯片为系统提供了通用的RS232,RS485标准接口、液晶显示器及其驱动电路设计(SED1335控制芯片)、触摸屏及其驱动电路的设计(ADS7846控制芯片。通过对西门子SPC3芯片和内部工业以太网控制器的集成，实现了PROFIBUS DP总线通讯接口以及工业以太网TCP/IP协议的实现，做到了测控系统应用的高度集成。
系统具有丰富的I/O接口，基本单元拥有8路数字量输入输出接口，4路模拟量输入输出接口，还可以扩展I/O口的组态，通过系统开发的平台软件实现。
该系统是一款拥有自主知识产权嵌入式实时测控系统信息终端平台，以优化改进的嵌入式Linux为核心，结合大量模块化集成的嵌入式领域新技术，为工业实时测控系统提供了一个性能优良的开发平台和应用平台，实现e－网到底。
(1) 该系统主要贡献
·将移动计算技术引入工业现场控制领域，形成实现工业过程控制网络化，智能化的新的工业控制网络体系结构;
·设计基于嵌入式移动数据库的工业控制器，包含智能I/O模块，取代目前常规的PLC，实现现场设备层与企业信息系统及INTERNET的无缝连接;
·适应移动用户和嵌入式数据库需求的技术扩展，为适合工业控制领域的用户提供技术扩展。
(2) 该系统所采用的新技术
·嵌入式Linux操作系统;
·嵌入式USB主机技术和USB外设模拟技术;
·软硬件结合的系统动态电源管理技术;
·基于GDUT MDB的嵌入式数据库;
·嵌入式Java技术;
·基于SyncML协议的数据同步技术;
·Profibus DP协议，TCP/IP协议实时转换网桥;
·串行高速数据采集系统。
3.3 工业以太网网络体系结构
传统的工业以太网如图3所示，此时的工业以太网也可用来进行不同类型总线段之间的集成。
图3 传统的工业以太网结构
现在以太网已经与控制网络构成了集成系统，企业网络一般包含处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。控制网络主要位于企业中下层,处理实时的、现场的信息,具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。信息网络一般处于企业中上层,处理大量的、变化的、多样的信息,具有高速、综合的特征。因此,企业网络是控制网络与信息网络的集成,实现集成的、统一的企业网络成为企业综合自动化与信息化的努力目标。按照这个目标,可以在以太网基础上将控制网络与信息网络统一构建,设计一种混合控制的网络结构,典型系统如图4所示。
图4 集成以太控制网络系统组成
该系统由现场总线、PLC、嵌入式控制系统、工业控制计算机、工作站、数据库服务器、文件服务器、网关设备、交换式以太网组成。根据耦合程度和控制功能的强弱,其具体的物理结构和实现存在很大的差异。系统以交换式集线器或网络交换机为中心,包括数据库服务器和文件服务器,采用星型拓扑结构。
而且无线局域网也进入了工业控制网络，它与工业控制网络的结合在工业控制系统中应用了现场总线技术、以太网技术、嵌入式技术等，实现了系统的网络化，提高了系统的性能和开放性，但是这些控制网络一般都是基于有线的网络。在现代控制网络中，许多自动化设备要求具有更高的灵活性和可移动性，尤其在一些危险场合或不适于使用有线网络的情况下，就要考虑应用无线网络。
4 工业以太网与现场总线控制网络的比较与现场总线相比,以太网具有以下优点:
(1) 应用广泛
以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术,受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发,如Java ,Visual C++及Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用,并受到软件开发商的高度重视,具有很好的发展前景。因此,如果采用以太网作为现场总线,可以保证多种开发工具、开发环境供选择。
(2) 成本低廉
由于以太网的应用最为广泛,因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持,有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛,硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus,FF等现场总线的十分之一,并且随着集成电路技术的发展,其价格还会进一步下降。
(3) 通信速率高
目前以太网的通信速率为10Mbps，100Mbps的快速以太网也开始广泛应用，1000Mbps以太网技术也逐渐成熟,10Gbps以太网也正在研究,其速率比目前的现场总线快得多。另外以太网可以满足对带宽的更高要求。
(4) 软硬件资源丰富
由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
(5) 可持续发展潜力大
由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
(6) 易于与Internet连接,能实现办公自动化网络
与工业控制网络的信息无缝集成，传统的工业控制网络体系结构如图3所示，由于在企业网络不同层次应用不同类型的网络，它们之间需要安装网关对数据进行转换。如今的控制网络中，以太网已经成为企业层和控制层的主要网络技术。同时，控制器、PLC和DCS厂商已经开始提供以太网接口，这使得整个网络的瓶颈效应集中在应用现场总线的设备层上。
5 工业以太网的性能分析
目前以太网应用于工业控制系统时需要解决的问题有以下几个方面:
(1) 实时性性的问题
工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为毫秒到0.1秒级。以太网的介质访问控制协议—CSMA/CD有无法预见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权:节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发。因而CSMA/CD法的改进是改进实时性的一个关键步骤。
(2) 工业可靠性问题
以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要。如超高或超低的工作温度，大马达或大导体产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。工业以太网如要在车间底层应用，必须解决可靠性的问题。
以太网的环冗余是由Hirschmann首先提出的，在一定程度上解决了以太网的容错问题，提高了以太网的可靠性。通过形成非常清晰和有效的冗余结构，用户能够获得非常高的网络利用率。冗余模式构造了一个简单环，如图5所示，这个环保证了在失败情况下的数据的安全传输。以太网构造网状结构时，即使在好几个站点同时发送失败的情况下，也能够提供网络的整体功能。在交换式以太网中，冗余的管理能够实现很高的网络可用性。交换式高速以太网启用环冗余的反应时间少于300ms，这意味着在一个设备出错后，网络可以在300ms后再次被利用。许多快速的冗余算法为适应环冗余不断出现，即使在需要重新配置网络的时候，这些算法和以太网环布局也能保证继续进行生产操作，这种方法还使得在网络还在运作时也能保持和扩大网络。
图5 交换机环冗余
(3) 以太网络安全性问题
黑客用户可能进入网络的控制层或管理层造成安全漏洞。
上述这些问题中，实时性、可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。
6 工业以太网的发展前景
控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议，与其他控制网络结合的以太网。以太网正逐步向现场级深入发展，并尽可能和其他网络形式走向融合，这是工业以太网所面临的重要课题，但以太网和TCP/IP协议原本就不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、适用环境等诸多方面与成熟的自动化解决方案(如PLC、DCS、FCS)相比有很大差异，要想做到完全意义上的融合是很困难的。因此，其他控制形式与以太网保留各自优点、互为补充，是目前以太网进入控制领域的最常见的应用方案。此外，尽管工业以太网与普通以太网一样符合IEEE802.3标准，但是由于工业以太网设备的工作环境与办公环境存在较大差别，所以工业以太网设备要求能在较宽温度范围内工作、封装牢固(抗振和防冲击)、导轨安装、电源冗余、24VDC供电等。
从目前趋势来看，工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来，它还难以完全取代现场总线，作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍将继续存在，最有可能的是发展一种混合式控制系统。此外，并非每种现场总线协议都将被以太网TCP/IP协议所替代，如AS2i、CAN。对于I/O传感器/执行器而言，应用这两种现场总线无疑是最佳的(AS2i传输4位数据，且可带电;CAN最多传输8 个字节)，还有一些专用总线，如SERCOS(用于数控，控制运动轴，为IEC61491国际标准)、Instabus(用于楼宇)，都有其专门的应用领域，均不适宜于工业以太网。另外，易燃、易爆(如化工、制药)、以及环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合，也不适宜于应用工业以太网。
现场总线开创了工业控制开放性的时代，而以太网技术会把开放性的思想在更高的程度上得以实现。一个代表世21纪潮流的工业以太网的现场总线控制系统时代正在到来。