SIEMENS西门子邵阳授权代理商

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2.为什么以前不用Ethernet作现场总线？ 

Ethernet（Ethernet）较初是在1973年由Dr Robert Metcacfe **的小组在Xerox Palo Alto Rebbbbbb Park研制出来的，应用于微型计算机系统商业网络终端。后几经修改，1983年出版了的IEEE802.3标准，它和1985年发布的ISO8802.3标准是相同的。 

Ethernet采用星型或总线型结构，传输速率为10M、100M、1000M甚至更高，传输介质为屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆等。 

Ethernet区别于其他网络（如令牌网、令牌环网、主从式网络等）的重要特点是，它采用的介质访问控制方法——CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，冲突检测载波多点访问）是一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续网络；如果两个或更多的节点到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。 

在网络负荷较高时，Ethernet上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它较大地影响了Ethernet的数据吞吐量和传输延时，并导致Ethernet实际性能的下降。由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到**。Ethernet的这种CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。 

而对于工业现场控制网络，Ethernet的这种通信“不确定性”会导致通信延迟的“不确定性”，并导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生，并成了它应用于工业控制网络的主要障碍。 

Ethernet没有用于现场总线的另外一个重要原因是，作为工业现场智能设备的核心组成部分——微处理器，在20世纪80年代时还处于初期发展阶段，功能简单，数字处理能力不强，不能处理Ethernet上“捆绑”使用的TCP/IP协议。 

3.Ethernet正逐渐进入工业控制领域 

尽管Ethernet是一种随机网络，但由于其技术比较简单、完全公开，能很快被大家接受，通过不断改进、提升，市场占有率（特别是办公自动化OA领域的市场占有率）越来越大，而成本却越来越低，进而变成主流，即使IBM力推Token Ring（令牌环网）架构也已难挡此潮流。据VDC调查报告，如今已有约93%以上的网络节点具有Ethernet接口。 

那么，Ethernet能不能应用于工业控制领域呢？ 

我们知道，令牌总线控制方式在工业控制领域应用得较多，其特点是，网络上各工作站对总线的控制权是由令牌来控制的。收到令牌的节点在一段规定时间内拥有网络传输介质的控制访问权，并向网络上发送一帧或多帧信息，当该站传输已经完成或它占用网络的规定时间到时，它就将令牌传递到下一逻辑站。因此，传输过程就是由交替进行的阶段和令牌传送阶段组成。由于令牌传递时间、拥有令牌的节点占用网络控制权的时间是预先规定好的，在网络节点数量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出来的，因此，令牌网又称为“确定性”网络。显然，这种确定性比较适合通信确定性和响应实时性要求较高的工业控制系统中应用。其中Arcnet网络就是比较*的令牌总线之一，传输速率为2.5Mbps，数据帧长度较大为508字节，可使用电缆、双绞线和光纤等传输介质。 

通过比较Arcnet网络与Ethernet在不同网络负荷下的通信响应性能

可以发现，在负荷较轻时，Ethernet网络的响应速度明显大于Arcnet网络，但随着负荷的增加Ethernet网络的响应速度就急剧下降，而Arcnet网络却下降得非常缓慢。这是因为，当负荷轻时，Ethernet网络的节点发送数据时发生碰撞的概率很低，几乎可以随时发送，而Arcnet网络则必需要有令牌才能发送，当然没有Ethernet网快。但当负荷很重时，Ethernet网的碰撞概率急剧增加，这就象一群人乱哄哄的挤一个门，这群人要完全进入门中，得花费很长的时间。而Arcnet则象一群人排队进一个门，其进入速度肯定比前者快。同时，也可看出，当网络负荷低于25%时，Ethernet网的响应速度要比Arcnet网要快。在典型的工业控制系统应用中，通信峰值负荷为10M Ethernet的5%，100M Ethernet网络中的负荷为0.5%。如果通过仔细设计，对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制，使网络负荷低于10%，完全可以采用Ethernet网来取代Arcnet网等令牌网。 

事实上，由于以太网接口芯片已非常普遍，价格低廉，已从OA领域逐渐扩展到FA（工厂自动化）领域，目前几乎所有远程I/O和控制器的均能提供一个支持TCP/IP的Ethernet接口。与此同时，Ethernet也成现场总线技术发展的新趋势，并被作为各种现场总线的高速组成部分，如现场总线基金会（Fieldbus Foundation，FF）的HSE（High Speed Ethernet），Profibus国际（Profibus International，PI）的ProfiNet等、ControlNet国际（ControlNet International，CI）和开放设备网制造商协会（Open DeviceNet Vendor Association，ODVA）的Ehternet/IP，MODBUS用户集团的MODBUS/TCP等等，但这些协议还主要应用于控制系统的中、上层设备间的通信。另外，据美国*调查机构ARC（Automation Rebbbbbb Company）指出，今后Ethernet不仅继续商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将**未来现场总线的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC（Venture Development Crop.）调查也指出，Ethernet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2000年11%增加到2005年23%。 

4.Ethernet能不能用于工业控制现场？ 

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，并使Ethernet应用于工业现场设备间的通信成为可能。 

1、通信确定性 

首先，Ethernet的通信速率从10M、100M到如今的1000M、10G，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，也就意味着网络碰撞机率大大下降。 

其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再会发生碰撞；同时交换机还可以对网络上传输的数据进行滤，使每个网段内节点之间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。 

再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。 

因此，采用交换式集线器和全双工通信，可以使网络上的冲突域已经不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），并由此使Ethernet通信“确定性”和实时性得到大大提高。 

2、通信稳定性与可靠性 

Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为OA领域而设计的，抗干扰性能较差，不符合工业现场恶劣环境的要求，也不具备本安特性和向现场仪表供电的性能。 

随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在较端条件下网络也能稳定地工作的问题，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。美国NETSilicon公司研制的工业Ethernet通信接口芯片，每片价格已降至10～15美元，与各种现场总线接口芯片相比，具有很大的价格优势。较近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。 

此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的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，以可以提高网络的抗干扰能力和可靠性。 

5.Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题 

Ethernet在应用于工业控制网络时，还需要解决以下一些关键问题： 

1、Ethernet实时通信服务质量（Quality of Service，QoS）支持策略 

所谓实时通信服务质量，是指以太网应用于工业控制现场时，为满足工业自动化实时控制要求，而提出的一系列通信特征需求，这些特征包括响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、**级等。 

工业控制现场网络中传送的数据信息，除了传统的各种测量数据、报警信号、组态监控和诊断测试信息以外，还有历史数据备份、工业摄像数据、工业音频视频数据等等。这些信息对于实时性和通信带宽的要求各不相同，因此要求工业实时通信网络能够适应外部环境和各种信息的通信要求的不断变化，为紧要提供较低限度的性能保（ranteed-Response，GR）服务，同时为非紧要提供尽力（Best-Effort，BE）服务，从而确保整个工业控制系统的性能。 

为此，将以太网应用于工业现场设备间通信时，应根据工业现场控制系统实时通信要求和特点的分析，制定相应的系统设计、流量控制、**级控制、数据报重发控制机制等策略，以保网络通信的实时QoS。 

2、满足通信一致性和互可操作性的应用层、用户层协议规范 

由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。 

从ISO/OSI的七层通信参考模型来看，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主（已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准）。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP（文件传送协议）、bbbnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、HTTP（WWW协议）、SNMP（简单网络管理协议）等应用层协议进行互信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。为此，为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet +TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。 

3、网络可用性 

所谓网络生存性，亦可称为网络可用性，是指系统中，任何一组件发生故障，都不应导致操作系统、网络、控制器和应用程序以至于整个系统的瘫痪。它包括可靠性、可恢复性、可管理性等几个方面的内容，必须仔细设计。其中可靠性是指，组成分布式网络控制系统的控制器、I/O模块、操作站、工程师站等硬件设备均应满足环境适应性要求，相应的软件（包括设备驱动软件、应用程序、操作系统等）必须工作稳定、可靠，因此系统组件与网络设计的可靠性成了自动化设备制造商的设计重点。 

所谓可恢复性，是指当系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工作时，系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络链路重新链接起来，并将故障进行隔离。同时，系统能自动定位故障，以使故障能够得到及时修复。一般来讲，网络系统的可恢复性取决于网络装置和基础组件的组合情况。 

可管理性是高可用性系统的较受关注的焦点之一。通过对系统和网络的在线管理，可以及时的发现紧急情况，并使得故障能够得到及时的处理。可管理性一般包括性能管理、配置管理、在线变化管理等过程。 

4、网络安全性 

将工业现场控制设备通过以太网连接起来时，由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、的非法入侵与非法操作等网络安全威胁，并因此成为众人关心的另一个重要问题。对此，一般可采用网络隔离（如网关、服务器等隔离）的办法，将控制区域内部控制网络与外部信息网络系统分开。此外，还可以通过用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理。但目前尚没有针对工业自动化控制网络安全的成熟软件。 

5、本质安全与安全防爆技术 

对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场的智能装备以及通信设备，都必须采取一定的防爆措施来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型（如增安、气密、浇封等）和本质安全型。与隔爆型技术相比，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，可以带来以下技术和经济上的优点：结构简单，体积小，重量轻，造价低；可在带电情况下进行维护和更换；性高；适用范围广。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。 

由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在六、七十毫安（5伏工作电源），因此低功耗的现场设备（如工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的变送器和执行机构等）设计非常难以实现。因此，在目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行。另一方面，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。 

6.Ethernet应用于工业控制现场的发展现状与趋势 

由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。如法国施耐德公司推出的基于嵌入式Web的“”系统中以太网、嵌入式Web等商用互联网技术应用于信息管理层、监控层、现场设备层。国内如浙江大学、浙大中控联合推出的基于EPA（Ethernet for Process Control）的分布式网络控制系统中，也将以太网直接应用于变送器、执行机构、现场控制器等现场设备间的通信，实现了从现场设备层、控制层到管理层等网络基于以太网的统一（即所谓的“E（Ethernet）网到底”，如图4所示）。 

与此同时，国际上的一些组织也正在研究以太网应用于工业控制现场的相关技术和标准，它们是工业以太网协会（Industrial Ethernet Association）、工业自动化开放网络联合会IAONA（Industrial Automation Open Networking Alliance）、IDA（Interface for Distributed Automation）小组等。在2002年4月在北京召开的IEC/TC65全体会议上，IEC SC65C/WG1也将工业以太网有关的标准列为其未来工作内容，并在IEC61784 part-2中加入基于工业以太网媒体的行规，同时对工业以太网传输媒体、本质安全、总线供电、通信安全性等几方面的标准进行研究，以适用工业控制网络未来发展之需要。