工业以太网技术在控制领域的应用及发展前景

引言

        以太网在工业领域中的应用结构有两种，即控制中心网络结构和设备中心网络结构。在控制中心网络结构中，工业以太网与现场总线相结合，以太网应用在企业网的上层，将控制器、操作员站、管理计算机连接起来。企业网的最低层是现场总线结构，是控制网络与Internet融为一体的解决方案。在设备中心网络结构中，I／O设备连到以太网上，在这种结构中，以太网取代了现场总线，工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信，真正建立了从企业网的上层到下层统一的以太网结构。

        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10 Mb／s，100 Mb／s，1 000 Mb／s或更高。在办公和商业领域，以太网是最常用的通信网络。近些年来，随着以太网技术的快速发展，以太网技术开始广泛应用于工业控制领域。

1. 以太网技术在工业控制领域中的优势及特点
        在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足要求。集散控制系统和其后出现的现场总线控制系统就是顺应这一趋势发展起来的技术，并在一定程度上解决了这一问题。但是，1999年现场总线技术标准IEC-61158出台，8种现场总线都成为IEC的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通信标准。因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，于是目前在信息网络中广泛应用的以太网成为首选的目标。

        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。其优势及特点主要体现如下四个方面：

        一、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。以太网技术人员多，可以降低企业培训维护成本；

        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的资源、应用软件和数据库共享；

        四、以太网易与Internet连接。在任何城市、任何地方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为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，具有多种开发工具可供选择；

        五、可持续发展潜力大。以太网是目前最为广泛应用的计算机网络，它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术支持。工业控制网络采用以太网技术，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外。并且工业控制网络与信息网络技术相互结合、相互促进，共同发展，可以保证技术上的可持续发展，避免将来在技术升级时的再次投入。

        随着经济的发展和自动化技术的进步，企业综合自动化、管控一体化成为企业生存和发展的必由之路。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。

2. 以太网技术在控制领域中的应用现状

        工业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的“自动化孤岛”问题，但从目前的发展看，工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式：

        一、混合Ethernet/Fieldbus的网络结构

        这种结构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式。以太网正在逐步向现场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合，但以太网和 TCP/IP原本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、实验环境等诸多方面并不成熟，而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统。因此，在企业信息层采用以太网，而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现两者的信息交换。
        二、专用工业以太控制网络

        如何利用工业以太网单独作为控制网络是工业以太网的发展方向之一，也是工业控制领域的研究热点之一。如德国Jetter AG公司的新一代控制系统JetWeb，是融现场总线技术、100Mb/s以太网技术、CNC技术、PLC技术、可视化人机接口技术和全球化生产管理技术为一体的工业自动化控制系统，同时具有广泛的兼容性，可兼容第三方自动化控制产品，提出“网络就是控制器”的观点，是取代所有底层现场总线的工业网络结构。这种工业控制网络是将以太网贯穿于整个网络各层次，使它成为透明的覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，实质上是一个单层的扁平结构，其良好的可扩展性和互连性，使之成为真正意义上的全开放网络体系结构的大统一。

        三、基于Web的网络监控平台

        嵌入式以太网是最近网络应用热点，就是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通，从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。在企业内部，可以利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。实现的最简单办法就是采用独立的以太网控制器，连接具有TCP/IP界面的控制主机以及具有RS-232或RS-485接口的现场设备。以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁。

3. 以太网技术在控制领域中的发展前景

        以太网在工业领域中的应用结构有两种，即控制中心网络结构和设备中心网络结构。在控制中心网络结构中，工业以太网与现场总线相结合，以太网应用在企业网的上层，将控制器、操作员站、管理计算机连接起来。企业网的最低层是现场总线结构，是控制网络与Internet融为一体的解决方案。在设备中心网络结构中，I／O设备连到以太网上，在这种结构中，以太网取代了现场总线，工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信，真正建立了从企业网的上层到下层统一的以太网结构。

        业界人士越来越认识到以太网在工业控制领域的重要性，工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。当然，工业以太网还有一些局限性，例如总线供电、本质安全以及没有统一的应用层协议等，随着这些问题的逐步解决，以及以太网速度的不断加快，通信确定性、可靠性、实时性的不断完善，工业以太网将有更加广阔的应用和发展前景。

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