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1 引言
以太网技术由于具有成本低、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，在过程控制领域的管理层已被广泛应用。事实证明，通过一些实时通信增强措施及工业应用高可靠性网络的设计和实施，以太网可以满足工业数据通信的实时性及工业现场环境要求，并可直接向下延伸应用于工业现场设备间的通信。工业以太网一般是指在技术上与商业以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能够满足工业现场的需要，也就是满足环境性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以太网。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。其协议对应于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10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps或更高。在办公和商业领域，以太网是最常用的通信网络，近几年来，随着以太网技术的快速发展，以太网技术已开始广泛应用于工业控制领域，它是现代自动控制技术和信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，同时也是信息化带动工业化的重点方向。国内对工业以太网络技术的需求日益增加，在石油、化工、冶金、电力、机械、交通、建材、楼宇管理、现代农业等领域和许多新规划建设的项目中都需要工业以太网络技术的支持。
2 工业以太网的优势
20世纪80年代中期产生的现场总线，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。现场总线国际标准IEC-61158经过多年的争论和斗争后，放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括8种(第三版修订后增加了两种类型，而成为10种类型)类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。但另一方面，随着互联网技术的发展，广大工控专家、制造商和用户也逐渐认识到，现场总线之所以没有能实现统一，除了它们的技术特色和背后支持的公司间的利益冲突外，还因为现场总线发展过程中，过多地强调了自动化网络的特殊性，忽视了信息技术的发展成果，致使现场总线技术、产品和应用发展缓慢。与此同时，垄断了办公自动化领域信息网络通信的以太网技术，由于其诸多优点，无论是大型跨国企业还是中小型自动化企业，都在过程控制领域管理层和控制层等中上层得到广泛应用。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发展的要求。由于现场总线技术标准IEC-61158出台，实质上并没有真正统一的技术标准，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先选取的目标。
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、易于组网应用等诸多优点，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。首先，基于TCP/IP的以太网是一种开放式通信网络，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;其次，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;第三，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，利用以太网作为现场的总线，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;第四，以太网易与Internet连接。在任何城市、任何地方甚至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，有多种开发工具可供选择。
随着经济的发展和自动化办公信息网络的进步，企业综合自动化、管控一体化已成为企业生存和发展的必尤之路。以太网可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现场紧密结合，实现真正意义上的企业管控一体化。
3 以太网应用于工业现场存在的主要问题
3.1 信息传输存在实时性差和不确定性
工业控制网络要求具有比较高的实时性和确定性。而以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)以及二进制指数退避算法(BEB)，因此必然导致信息传送的滞后，因其时间滞后是随机的，这说明实质上以太网是一种非确定性的网络系统。因此，对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生碰撞的可能性，造成响应时间的不确定性，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性。
3.2 以太网的可靠性差
安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够抗冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有比较好的电磁兼容性。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，其所用插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，难以满足工业现场的恶劣环境要求。
3.3 缺乏应用于工业控制领域的应用层协议
以太网标准仅仅定义了ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上TCP/IP协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是FTP(文件传输协议)，Telnet(远程登陆协议)，SMTP(简单邮件传输协议)，HTTP(超文本传输协议)等。这些协议所规定的数据结构等特性不符合工业控制现场设备之间的实时通信要求。因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议。
4 工业以太网技术的发展
4.1 信息传输实时性和确定性的改进
最近几年来，以太网技术以来有了长足的进步。其中，交换式以太网技术、高速以太网技术、虚拟局域网(VLAN)技术、全双工通信技术、IP的服务质量(QoS)技术的发展与相互结合和应用，大大的提高了以太网系统中信息传输的实时性、确定性。
首先，采用以太网交换机，将网络分成若干网段，以太网交换机具有数据存储、转发功能，使各端口之间的输入输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生冲突;同时交换机还对网络上传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点之间数据的传输仅限于本地网段内进行，而不需要经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。
其次，以太网的通信速率从10Mbps，100Mbps发展到现在的1000Mbps,10Gbps, 在数据吞吐量相同的情况下，通信介质的占用时间大大降低，有效地降低了网络碰撞的概率。
另外，在应用过程中，系统可采用全双工通信技术可以使端口之间的两对双绞线(或光纤)分别同时接收和发送数据，从而使系统不再受到CSMA/CD的约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在，不会产生方式冲突。还可以采用虚拟局域网(VLAN)技术对网络系统进行不同的功能层、不同的部门区分的逻辑划分，增强网络系统中数据传输的实时性、安全性和确定性。IP的服务质量(QoS)技术的应用则能使我们在网络系统中区分实时和非实时数据，识别数据的优先级，实时监控网络系统中实时数据传输，优化、控制网络通信负荷，提高系统中数据传输的实时性、确定性。
4.2 通信可靠性的改进
为了适应工业现场恶劣环境的要求，一些厂家已经推出了工业级的以太网设备，用以提高以太网的可靠性。在实际应用中，主干网络可采用光纤传输，现场设备的连接可采用屏蔽双绞线。对于重要的网段和节点的通信器件采用冗余配置和自动无扰切换，在可能的情况下配置一个实时监控软件，不断监视整个网络的通信状况以及每一个节点的软硬件工作情况，一旦发现异常，就能够迅速将故障节点隔离开来，并作出相应报警。所有这些手段都可以有效地提高以太网通信的可靠性和稳定性。
4.3 工业以太网协议
由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的以太网要求，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有效的以太网服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有MODBUS/TCP、ProfiNet、Ethernet/IP、HSE等。
(1) 法国施奈德公司推出透明工厂的战略使其成为工业以太网应用的坚决倡导者，该公司于1999年公布了MODBUS/TCP协议。MODBUS/TCP协议以一种非常简单的方式将MODBUS帧嵌入TCP帧中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼叫/应答的机制与MODBUS的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。施奈德公司已经为MODBUS注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。
(2) 德国西门子公司于2001年发布其工业Ethernet的规范，称为ProfiNet。该规范主要包括三方面的内容:
●基于组件的对象模型(COM)的分布式自动化系统;
●规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间开放透明通信;
●提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的模型。ProfiNet的基础是组件技术，在ProfiNet中，每一个设备都被看成是一个具有COM接口的自动化设备，同类设备都具有相同的COM接口。在系统中可以通过调用COM接口来调用设备功能。组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间可以混合使用，简化了编程。每一个智能设备都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程来实现。同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口。为不同设备的厂家之间提供了良好的互换性和互操作性。
(3) 美国罗克韦尔公司于2000年分布工业Ethernet规范，称为Ethernet/IP。Ethernet/IP是一种工业网络标准，它很好地采用了当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。IP代表Industrial Protocol, 以此来与普通的以太网进行区别。它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效方法，允许工业现场设备交换实时性强的数据。Ethernet/IP模型由IEEE802.3标准的物理层和数据链路层、以太网TCP/IP协议和控制与信息协议CIP三部分组成。CIP是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连接的协议，CIP有两个主要目的，一是传输同I/O设备相联系的面向控制的数据，二是传输同其它被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。CIP协议规范主要由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表、信息管理等组成。
基金会现场总线FF于2000年分布工业Ethernet规范，称为HSE。HSE是以太网协议IEEE802.3、TCP/IP协议族和FF H1的结合体。FF现场总线基金会将HSE定位于实现控制网络与Ethernet的集成。由HSE连接设备将H1网段信息传输到以太网的主干网上，这些信息可以通过互连网送到主控室，并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员可以在主控室直接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。
5 工业以太网的应用
5.1 工业以太网的应用示例
随着生产过程自动化水平的提高及网络建设的同步跟进，不少企业网络已覆盖到企业的各厂和各个车间，使现场设备层及生产监控层的DCS、PLC系统各个功能有可能得到更好的利用，为充分发挥信息在企业管理中的效益提供了良好的环境。因此建立统一的信息管理平台，使有使用价值的信息不致沉淀及流失，从更高层次发挥管理信息的效益是高层管理人员普遍关注的。信息平台建设是为指导发展生产服务的，为了提高科学管理和决策水平，建设重点应放在主线上。现以某冶炼企业为例，由于系统相当庞大和复杂，在企业平台建设中，以下子系统被考虑成重点建设对象。
(1) 生产计划管理系统
它可以按照各种生产指标并根据公司的生产能力制定出公司的年、季、月产品产量计划和各种消耗定额等;按照产品产量计划及消耗定额，编制原、燃料、水电消耗计划;按照产品产量计划制定各部门的工作计划。
(2) 生产调度指挥系统
它是整个生产管理的智能管理中心，是集数据通信、处理、采集、协调、图文显示为一体的综合数据应用系统，能在各种情况下准确、可靠、迅捷地做出反应及时处理生产过程中产生的问题，协调各车间工作，达到实时、合理监控的目的。为各级管理者提供实时生产信息(过程数据、分析数据)，精确地监视生产过程，以提高生产过程控制水平和设备的监控能力。
(3) 办公自动化系统
它通过文件管理、信息服务、个人事宜和办公管理等子功能模块以实现文件的起草、校稿、批阅和存档以及公司会议的通知、记录等形式的自动化办公。
(4) 财务管理系统
它采用专用财务管理软件，由专业财务人员进行操作。它将有关财务管理软件进行无缝集成，以方便使用和维护。
(5) 物资管理系统
物资管理就是通过用料申请计划、采购、仓储、保管、领用等活动，解决物资供需之间存在的时间、空间、数量、品种、规格以及价格和质量等方面的矛盾，衔接好生产中的各个环节，确保生产的顺利进行。
(6) 设备管理系统
通过设备管理系统，设备管理部门可以对各车间的设备进行信息管理，包括查看设备的运行状况，对设备安排检修，查看设备的检修记录，添加设备，报废设备等操作。
(7) 视频监控系统
通过遍布各个关键岗位的摄相头，可以实时地监控各关键岗位的工作情况以及重要设备运行情况，并保存(如大约一周左右的)录像资料。
由于信息管理平台具备相关生产工艺过程基本数据的采集、传输、处理、显示与化验数据分析、统计等功能，对生产调度、生产指挥、生产协调起到了积极的作用，最终，使反映生产工艺过程的基础数据得到及时反映，为生产过程中出现问题快速做出决策，提供了积极的手段和方法，增加了处理问题的灵活性、机动性。更为关键的是，借助生产信息化管理系统，给管理人员注入了新的生产管理理念，同时也为企业带来了明显的经济效益。
5.2 系统设计原则
生产管理信息系统，是集“管、调、控、监”于一体的自动化系统。系统设计中，应遵循 “安全可靠、经济实用、整体技术先进”的原则。安全可靠，由于产品生产是工艺流程化的生产过程，为确保生产的连续、稳定运行，软件设计上，应逻辑严密，连锁完备，保证系统稳定可靠运行。经济实用，就是系统在设计上，在采用先进技术和设备的同时，也要注意技术的实用性，设计中尽量采用成熟的技术和设备，避免造成不必要的损失。整体技术先进，根据项目的需求，结合工程项目经验，力求建立一个完善的体系结构，使计算机系统能够在最大限度上满足用户不断增长的业务需求和变化，可不断利用迅速发展中的计算机技术和产品，重用性好，扩展方便。系统在整体设计上，起点要高，要反映当代的技术水平，并以此为基础，为企业创造良好的社会经济效益。
5.3 系统总体设计
生产管理信息系统平台建设，涉及整个企业的各个生产车间及各个管理部门，为保证系统的可扩展性，在原生产线上软、硬件充分发挥作用的前提下，尽量利用已有的资源，因此在总体结构上，可采用分层设计;在功能上宜采用独立模块结构。
(1) 系统硬件结构
根据某企业的实际情况，系统配置的硬件结构图如图1所示。MIS服务器:选用Dell产品，采用冗余技术和恢复技术，保证数据存储安全。采用访问认证技术，防止非法侵入或越级访问，保证应用安全。
图1 硬件结构图
WEB服务器:选用Dell产品，采用访问认证技术，防止非法侵入或越级访问，保证应用安全。
实时数据库:采用Wonderware 的InSQL8.0实时关系型工厂用数据库系统。
操作系统:采用WINDOWS 2000/2003/NT。
关系数据库:MS SQL Server 2000
工作站:选用Dell产品:CUP P4 3.0G RAM DDR 512MB内存
通信协议:TCP/IP、PROFIBUS-DP、MODBUS、OPC、DH+等，以TCP/IP为主，其他为工业过程控制专用协议。
(2) 系统软件结构
根据用户要求采用C/S与B/S混合结构。系统的C/S结构:支持数据管理，支持多用户高效并发访问，可有效地解决企业地理数据库中的版本冲突等问题，数据存储更加安全有效，能满足数据编辑、高级空间分析等功能。系统的B/S结构:同样也支持数据管理，支持多用户高效并发访问，也可有效地解决企业地理数据库中的版本冲突等问题，数据存储安全有效，但该方案具有客户端免维护、无限分发的特点，在某些应用中更有优势。
6 工业以太网技术的发展前景
以太网在工业领域的应用结构有两种，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机构，是控制网络与Ethernet融为一体的解决方案。在设备中心网络结构中，I/O设备连接到以太网上，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之间的通信，真正建立了从企业网的上层到下层统一的工业以太网。业界人士越来越认识到以太网在工业控制领域的重要性，工业以太网技术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与发展前景。
值得一提的是在国家科技部“863”计划的支持下，浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位联合成立了标准起草工作小组，经过技术攻关，起草了我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准《用于工业测量与控制系统的EPA通信标准》。该标准通过增加一些必要的改进措施，改善以太网的通信实时性，在以太网、TCP/IP协议之上定义工业控制应用层服务和协议规范，将在IT领域应用较为广泛的以太网(包括无线局域网、蓝牙)以及TCP/IP协议应用于工业控制网络，实现工业企业综合自动化系统中由信息管理层、过程监控层直至现场设备层的无缝信息集成，解决基于以太网的确定性通信调度规范、定义基于以太网和TCP/IP协议的应用层服务和协议规范、基于XML的电子设备描述等内容，为用户应用进程之间无障碍的数据和信息交换提供统一的平台。该标准有以下特点:
(1) 兼容性，EPA控制系统兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP(TCP)/IP等协议。微网段化系统结构，EPA控制系统中，控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过EPA网桥与其他网段进行分隔，该微网段内EPA设备间的通信被限制在本控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。处于不同微网段内EPA设备间的通信，需由相应EPA网桥进行转发控制。
(2) 通信的确定性，该标准在数据链路层与网络层之间定义了一个确定性通信调度管理接口，用于处理EPA设备的报文发送调度。通过该通信调度管理接口，EPA设备按组态后的顺序，采用分时发送方式向网络上发送报文，以避免报文冲突，并确保通信的确定性。支持EPA报文与通用网络报文并行传输，在不影响实时性的前提下，支持EPA报文与通用网络报文并行传输。
(3) 分层的安全策略，对基于EPA的分布式现场网络控制系统，从企业信息管理层、过程监控层和现场设备层3个层次，采用不同的安全技术，如防火墙技术、网络隔离、硬件加锁等安全措施。
(4) 网络供电，该标准采用XML结构化文本语言，规定了EPA设备资源的描述方法，以实现不同EPA设备的互可操作性。《EPA标准》作为我国自主制定、并被国际上认可和接收的第一个现场总线国家标准，是国内从事工业自动化控制系统以及现场总线、网络通信的研究、开发、应用单位联合开发和编制的，得到了国家科技部和国家标委会的极大重视和支持，在产品开发和工程应用上有比较好的基础，现已开发出了基于EPA的变送器、执行器、现场控制器、数据采集器、远程分散控制站、无纸记录仪等产品，基于EPA的分布式网络控制系统已在化工企业得到成功应用。尽管该技术标准还有待在今后工程实践中进一步完善和发展，还有许多后续工作要做，但是在工业自动化领域，我国已经有了第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准，为工业自动化领域的技术进步作出了积极的贡献。
7 结束语
工业以太网技术的应用已经有了长足的发展，为解决工业应用中的实时性问题提供了多种手段，而且解决问题的方案也不是唯一的，只要遵循基本原理，针对工业控制现场的具体实际情况，其实这些问题都是可以解决的。