以太網

　　以太網（Ethernet）指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802.3系列標準相類似。

　　IEEE802.3規定了包括物理層的連線、電信號和介質訪問層協議的內容。以太網是當前應用最普遍的局域網技術，它很大程度上取代了其他局域網標準。如令牌環、FDDI和ARCNET。歷經100M以太網在上世紀末的飛速發展后，千兆以太網甚至10G以太網正在國際組織和領導企業的推動下不斷拓展應用范圍。

　　常見的802.3應用為：

　　10M： 10base-T （銅線UTP模式）

　　100M： 100base-TX （銅線UTP模式）

　　100base-FX（光纖線）

　　1000M： 1000base-T（銅線UTP模式）

　　工業以太網

　　一般來講，工業以太網是專門為工業應用環境設計的標準以太網。工業以太網在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，工業以太網和標準以太網的異同可以比之與工業控制計算機和商用計算機的異同。以太網要滿足工業現場的需要，需達到以下幾個方面的要求。

　　（1） 適應性

　　包括機械特性（耐振動、耐沖擊）、環境特性（工作溫度要求為-40~+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2、EN50082-2標準。

　　（2） 可靠性

　　由于工業控制現場環境惡劣，對工業以太網產品的可靠性也提出了更高的要求。

　　（3） 本質安全與安全防爆技術

　　對應用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業現場的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業現場的安全生產。現場設備的防爆技術包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型兩類。與隔爆型技術相比，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經濟上的優點：結構簡單、體積小、重量輕、造價低；可在帶電情況下進行維護和更換；安全可靠性高；適用范圍廣。實現本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由于目前以太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5V工作電源），因此低功耗的現場設備（如工業現場以太網交換機、傳輸媒體以及基于以太網的變送器和執行機構等）設計難以實現。因此，在目前的技術條件下，對以太網系統采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。

　　（4） 安裝方便，適應工業環境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。

　　工業以太網的應用

　　由于以太網無可爭議的優勢，將以太網應用于工業自動化領域正成為人們關注的熱點。介紹了企業信息化系統的分層結構，分析了以太網用于工業領域要解決的一些問題，展示了以太網工業應用現狀，并展望其發展前景。

　　在工業生產中，隨著生產規模的擴大和復雜程度的提高，實際應用對控制系統的要求越來越高。在20世紀50～60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監控系統取代傳統的機電控制系統。隨后是在70～80年代，集散控制系統DCS（Distributed Control System）的出現，把大量分散的單回路測控系統通過計算機進行集中統一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計算機實現回路調節、工況聯鎖、參數顯示、數據存儲等多種功能，從而實現了工業控制技術的飛躍。

　　DCS一般由操作站級、過程控制級和現場儀表三級組成，其特點是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監督管理。分散控制使得系統由于某個局部的不可靠而造成對整個系統的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術不斷走向成熟，極大地提高了整個系統的可靠性，因而迅速成為工業自動控制系統的主流。但DCS的結構是多級主從關系，底層相互間進行信息傳遞必須經過主機，從而造成主機負荷過重，效率低下，并且主機一旦發生故障，整個系統就會“癱瘓”。而且DCS是一種數字—模擬混合系統，現場儀表仍然使用傳統的4～20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標準，通訊協議封閉，極大的制約了系統的集成與應用。

　　進入90年代，具有數字化的通信方式、全分散的系統結構、開放的互聯網絡、多種傳輸媒介和拓撲結構、高度的環境適應性等特點的現場總線（Fieldbus）技術迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉入現場智能儀表，而在此基礎上形成的新的現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System）綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統。相應的控制網絡結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為設備層、控制層和信息層。采用了現場總線技術使控制功能下放到現場設備成為可能，現場總線標準不僅是通信標準，同時也是系統標準。FCS正在走向取代DCS并推動著工業控制技術的又一次飛躍。

　　以太網應用于工業控制時存在的問題

　　傳統的以太網是一種商用網絡，要應用到工業控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

　　（1） 存在實時性差，不確定性的問題

　　傳統的以太網采用了CSMA/CD的介質訪問控制機制，各個節點采用BEB（Binary ExponenTIal Back-off）算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網絡節點要通過競爭來取得信息包的發送權。通信時節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發送后，還需要檢查是否發生碰撞，信息如發生碰撞，需退出重發，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性，不能滿足工業過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業控制中的應用。

　　（2） 工業可靠性問題

　　以太網是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮工業現場環境的適應性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機或其他大功率設備產生的影響信道傳輸特性的強電磁噪聲等。以太網如在車間底層應用，必須要解決可靠性的問題。

　　（3） 以太網不提供電源，必須有額外的供電電纜

　　工業現場控制網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

　　（4） 以太網不是本質安全系統

　　（5） 安全性問題

　　以太網由于使用了TCP/IP協議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。沒有授權的用戶可能進入網絡的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、數據加密、防火墻等多種安全機制加強網絡的安全管理，但針對工業自動化控制網絡安全問題的解決方案還需要認真研究。

　　（6） 現存的控制網絡與新建以太控制網絡的集成問題

　　上述這些問題中，實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網進入工業控制領域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業以太網的解決辦法。

　　結論

　　以太網作為網絡和信息技術的新趨勢，在工業通信和自動化系統中起到至關重要的作用，其優越的性能，為您的應用帶來巨大的利益：通過簡單的連接方式快速裝配。通過不斷的開發提供了持續的兼容性，因而保證了投資的安全。通過交換技術提供實際上沒有限制的通訊性能。各種各樣聯網應用，例如辦公室環境和生產應用環境的聯網。

　　在工業通信和自動化系統中采用以太網和TCP/IP協議作為最主要的通信接口和手段，向網絡化、標準化、開放性方向發展，將是各種工業控制系統技術發展的主要潮流。市場占有率高達80%，

　　以太網作為目前應用最廣泛、成長最快的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域得到了超乎尋常的發展。同時，基于IP的全程一體化尋址，為工業生產提供的標準、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對工業控制系統產生深遠的影響。