引言
以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)有兩種，即控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合，以太網(wǎng)應(yīng)用在企業(yè)網(wǎng)的上層，將控制器、操作員站、管理計算機連接起來。企業(yè)網(wǎng)的最低層是現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，是控制網(wǎng)絡(luò)與Internet融為一體的解決方案。在設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，I／O設(shè)備連到以太網(wǎng)上，在這種結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)取代了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信，真正建立了從企業(yè)網(wǎng)的上層到下層統(tǒng)一的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
以太網(wǎng)是按IEEE802．3標準的規(guī)定，采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問方法(CSMA／CD)對共享媒體進行訪問的一種局域網(wǎng)協(xié)議，對應(yīng)于ISO／OSI七層參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)為同軸電纜、雙絞線、光纖等，采用總線型或星型拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10 Mb／s，100 Mb／s，1 000 Mb／s或更高。在辦公和商業(yè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)是最常用的通信網(wǎng)絡(luò)。近些年來，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
1. 以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的優(yōu)勢及特點
在工業(yè)控制領(lǐng)域中，隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，被控對象、測控裝置等物理設(shè)備地域分散性也越來越明顯，集中控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。集散控制系統(tǒng)和其后出現(xiàn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是順應(yīng)這一趨勢發(fā)展起來的技術(shù)，并在一定程度上解決了這一問題。但是，1999年現(xiàn)場總線技術(shù)標準IEC-61158出臺，8種現(xiàn)場總線都成為IEC的現(xiàn)場總線技術(shù)標準，其實質(zhì)是沒有真正統(tǒng)一的通信標準。因此，世界各大工控廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問題，于是目前在信息網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)成為首選的目標。
以太網(wǎng)是當(dāng)今最流行、應(yīng)用最廣泛的通信技術(shù)，具有價格低、多種傳輸介質(zhì)可選、高速度、易于組網(wǎng)應(yīng)用等優(yōu)點，而且其運行經(jīng)驗最為豐富，擁有大量安裝維護人員，是一種理想的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)勢及特點主要體現(xiàn)如下四個方面：
一、基于TCP／IP的以太網(wǎng)是一種標準的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作等問題；
二、低成本、易于組網(wǎng)是以太網(wǎng)的優(yōu)勢。以太網(wǎng)網(wǎng)卡價格低廉，以太網(wǎng)與計算機、服務(wù)器等接口十分方便。以太網(wǎng)技術(shù)人員多，可以降低企業(yè)培訓(xùn)維護成本；
三、以太網(wǎng)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以提供足夠的帶寬。而且以太網(wǎng)資源共享能力強，利用以太網(wǎng)作現(xiàn)場總線，很容易將I／O數(shù)據(jù)連接到信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)很容易以實時方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫共享；
四、以太網(wǎng)易與Internet連接。在任何城市、任何地方都可以利用電話線通過Internet對企業(yè)生產(chǎn)進行監(jiān)視控制；另外，以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到了廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，具有多種開發(fā)工具可供選擇；
五、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｒ蕴W(wǎng)是目前最為廣泛應(yīng)用的計算機網(wǎng)絡(luò)，它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)支持。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)技術(shù)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外。并且工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互結(jié)合、相互促進，共同發(fā)展，可以保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，避免將來在技術(shù)升級時的再次投入。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和自動化技術(shù)的進步，企業(yè)綜合自動化、管控一體化成為企業(yè)生存和發(fā)展的必由之路。以太網(wǎng)方便實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接的優(yōu)勢可以使電子商務(wù)與工業(yè)生產(chǎn)控制緊密結(jié)合，實現(xiàn)企業(yè)管控一體化。
2. 以太網(wǎng)技術(shù)在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀
工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，它能提供一個開放的標準，是企業(yè)從現(xiàn)場控制到管理層實現(xiàn)全面的無縫的信息集成，解決了由于協(xié)議上的不同導(dǎo)致的“自動化孤島”問題，但從目前的發(fā)展看，工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾種形式：
一、混合Ethernet/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)實際上就是信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的一種典型的集成形式。以太網(wǎng)正在逐步向現(xiàn)場設(shè)備級深入發(fā)展，并盡可能的和其他網(wǎng)絡(luò)形式走向融合，但以太網(wǎng)和 TCP/IP原本不是面向控制領(lǐng)域的，在體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議規(guī)則、物理介質(zhì)、數(shù)據(jù)、軟件、實驗環(huán)境等諸多方面并不成熟，而現(xiàn)場總線能完全滿足現(xiàn)代企業(yè)對底層控制網(wǎng)絡(luò)的基本要求，實現(xiàn)真正的全分布式系統(tǒng)。因此，在企業(yè)信息層采用以太網(wǎng)，而在底層設(shè)備級采用現(xiàn)場總線，通過通信控制器實現(xiàn)兩者的信息交換。
二、專用工業(yè)以太控制網(wǎng)絡(luò)
如何利用工業(yè)以太網(wǎng)單獨作為控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向之一，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點之一。如德國Jetter AG公司的新一代控制系統(tǒng)JetWeb，是融現(xiàn)場總線技術(shù)、100Mb/s以太網(wǎng)技術(shù)、CNC技術(shù)、PLC技術(shù)、可視化人機接口技術(shù)和全球化生產(chǎn)管理技術(shù)為一體的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，同時具有廣泛的兼容性，可兼容第三方自動化控制產(chǎn)品，提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點，是取代所有底層現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是將以太網(wǎng)貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)各層次，使它成為透明的覆蓋整個企業(yè)范圍的應(yīng)用實體。它實現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合，實質(zhì)上是一個單層的扁平結(jié)構(gòu)，其良好的可擴展性和互連性，使之成為真正意義上的全開放網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的大統(tǒng)一。
三、基于Web的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺
嵌入式以太網(wǎng)是最近網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用熱點，就是通過Internet使所有連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備彼此互通，從計算機、PDA、通信設(shè)備到儀器儀表、家用電器等。在企業(yè)內(nèi)部，可以利用企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，進行工廠實時運行數(shù)據(jù)的發(fā)布和顯示，管理者通過Web瀏覽器對現(xiàn)場工況進行實時遠程監(jiān)控、遠程設(shè)備調(diào)試和遠程設(shè)備故障診斷和處理。實現(xiàn)的最簡單辦法就是采用獨立的以太網(wǎng)控制器，連接具有TCP/IP界面的控制主機以及具有RS-232或RS-485接口的現(xiàn)場設(shè)備。以太網(wǎng)控制器在這里扮演了通用計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場各類設(shè)備之間的一個橋梁。
3. 以太網(wǎng)技術(shù)在控制領(lǐng)域中的發(fā)展前景
以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)有兩種，即控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合，以太網(wǎng)應(yīng)用在企業(yè)網(wǎng)的上層，將控制器、操作員站、管理計算機連接起來。企業(yè)網(wǎng)的最低層是現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，是控制網(wǎng)絡(luò)與Internet融為一體的解決方案。在設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，I／O設(shè)備連到以太網(wǎng)上，在這種結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)取代了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信，真正建立了從企業(yè)網(wǎng)的上層到下層統(tǒng)一的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
業(yè)界人士越來越認識到以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的重要性，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)然，工業(yè)以太網(wǎng)還有一些局限性，例如總線供電、本質(zhì)安全以及沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議等，隨著這些問題的逐步解決，以及以太網(wǎng)速度的不斷加快，通信確定性、可靠性、實時性的不斷完善，工業(yè)以太網(wǎng)將有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
