以太網在工業控制中的應用綜述

在TCP協議中，網絡層的核心協議是IP(Internet Protocol)，同時還提供ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等協議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組發送請求(即組裝IP數據報并發往網絡接口)、處理輸入數據報、轉發數據報或從數據報中抽取分組、處理差錯與控制報文(包括處理路由、流量控制、擁塞控制等)。

傳輸層的功能是提供應用程序間(端到端)的通信服務，它提供用戶數據報協議UDP(User Datagram Protocol)和傳輸控制協議TCP(Transfer Control Protocol)兩個協議。UDP負責提供高效率的服務，用于傳送少量的報文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應用程序需自己完成可靠性操作;TCP負責提供高可靠的數據傳送服務，主要用于傳送大量報文，并保證數據傳輸的可靠性。

以太網支持的傳輸介質為粗同軸電纜、細同軸電纜、雙絞線、光纖等，其最大優點是簡單，經濟實用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶歡迎。與現場總線相比，以太網具有以下幾個方面的優點:

(1) 兼容性好，有廣泛的技術支持

基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式網絡，適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題，不同廠商的設備很容易互聯，能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的信息無縫集成。以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發，如VB、Java、VC等。采用以太網作為現場總線，可以保證多種開發工具、開發環境供選擇。工業控制網絡采用以太網，就可以避免其發展游離于計算機網絡技術的發展主流之外，從而使工業控制網絡與信息網絡技術互相促進，共同發展，并保證技術上的可持續發展。

(2) 易于與Internet連接

以太網支持幾乎所有流行的網絡協議，能夠在任何地方通過Internet對企業進行監控，能便捷地訪問遠程系統，共享/訪問多數據庫。

(3) 成本低廉

采用以太網能降低成本，包括技術人員的培訓費用、維護費用及初期投資。由于以太網的應用最為廣泛，因此受到硬件開發與生產廠商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產品供用戶選擇，硬件價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有現場總線的十幾分之一，并且隨著集成電路技術的發展，其價格還會進一步下降。人們對以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發和培訓費用，在技術升級方面無需單獨的研究投入，從而可以顯著降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發和推廣速度。

(4)可持續發展潛力大

由于以太網的廣泛應用，使它的發展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。并且，在信息瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，保證了以太網技術的持續發展。

(5) 通信速率高

目前以太網的通信速率為10M或100M，1000M、10G的快速以太網也開始應用，以太網技術也逐漸成熟，其速率比目前的現場總線快得多，以太網可以滿足對帶寬的更高要求。

4、以太網應用于控制時存在的問題

但是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。

5、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?，F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。