基于交換式工業以太網研究
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監控單元完成對整個控制過程的監控，參數設定等功能，如果要求監控工作站具有多媒體功能，可接入25Mbps端口。
現場設備可以是一般的工業控制計算機系統、現場總線控制網絡、PLC、嵌入式控制系統等。一般的工業控制計算機系統通過以太網卡接入網絡交換機或交換式集線器；現場總線控制網絡通過數據網關與以太網互聯；PLC的接入有兩種情況，帶有以太網卡的PLC可通過以太網卡接入交換機，普通不帶以太網卡的PLC要通過485／232轉換及工業控制計算機接入網絡交換機；嵌入式控制系統可通過嵌入式控制器自帶的以太網卡接入網絡交換機。
當網絡規模較大時，可采用分段結構，連成更大的網絡，每一個交換機及控制設備構成相對獨立的控制子網。若干個控制子網互聯組成規模較大的控制網絡。
該控制網絡系統具有以下特點：
（1）分布式對等功能單元
控制系統按功能分為管理層、控制層兩層。管理層與傳統工業網絡的管理層無重大區別。控制層合并了原有的監控層和設備層，取而代之的是根據功能和部門劃分的若干“單元”，各單元之間關系對等，單元內部是相對獨立的實時控制區域。控制功能下放到各現場控制單元的現場智能儀表和設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統的靈活性、自治性和安全可靠性。
（2）分層式網絡結構
整個網絡采用結構化設計，分為核心層、分布層二層。
核心層：為數據交換巾心，分布層設備之間的通信，其數據都通過該層進行高速交換。核心交換設備為三層高速交換機；創建和維護網絡路山表，實現不同功能單元或虛擬局域網子網之間的路由；實施訪問控制機制。
分布層：采用二層交換機實現各功能單元內部的數據交換，交換機與現場設備或下游交換機采用點－點／全雙工方式連接，使單元內部主要設備都能獨享帶寬，從而保證系統通信實時性。
與扁平式網絡相比，分層式網絡結構具有很大優勢：（a）能有效分割網絡，成為較小的廣播域和沖突域，為終端設備提供更大的帶寬。（b）分層式結構提高了網絡的擴展性，當加入新的功能單元時，不會降低網絡的性能。（c）有利于故障排除，并限制故障影響。（d）使各功能單元成為對等關系，組成分布式通信系統。
（3）更高的開放性
基于Ethernet-TCP／IP的工業以太網，管理層和控制層使用相同的通信協議。本質上，管理單元與現場控制單元及監控單元可自由通訊，使上下層之間實現“無縫”集成；如果必要，管理層的決策單元可以直接獲得現場控制單元的數據，有利于提高綜合自動化決策速度；與此同時，管理層與控制層之間建立必要的訪問控制機制，保護現場控制單元和敏感部門的安全和通信的實時性。
由于采用得到廣泛應用的開放標準（協議），各廠家的設備只要采用相同的協議，或通過智能轉換器，就能方便地集成在同一個系統中，提高了互連性和互可操作性，從而消除了不同自動化系統之間的“信息孤島”。
（4）高傳輸速率
一般來說，骨干鏈路采用100Mbps傳輸率，設備及終端接入鏈路使用10／100Mbps傳輸率；另外，分層式網絡結構可將功能單元的通信數據盡量限制在本地，節約了骨干鏈路帶寬，也減少了單元之間的廣播，提高了終端的帶寬。
4、交換式以太控制網絡應用于工業現場的關鍵技術
· 確保通信實時性。長期以來，以太網通信響應的不確定性是它在工業現場設備中應用的致命弱點和主要障礙之一，而導致不確定性的主要原因是以太網訪問傳輸媒體的方法，這種方法容易產生“捕獲效應”。交換式以太控制網絡技術不但極大地提高了信道地利用率，更重要的是它能夠屏蔽傳統共享式以太網的時延不確定性，為它應用于工業控制清除了主要障礙。然而，當交換式以太控制網絡規模擴大后，又出現了環路和廣播風暴的問題。
· 環路和廣播風暴的解決方案。工業控制系統的網絡結構日趨復雜，很難保證其拓撲結構中不包含閉合環路。但可以采用動態生成樹算法計算交換機的路由，從而避免環路對數據幀轉發路由造成的影響，同時增加了交換式以太控制網絡的健壯性和組網的方便性。
· 對網絡安全性的支持。目前交換式以太控制網絡已經把傳統的3層網絡系統（即信息管理層、過程監控層、現場設備層）合成一體，同時引入了一系列的網絡安全問題。除了引進防火墻機制外，網絡小身對安全提供兩方面的支持：網絡設備訪問控制和數據訪問控制。
· 總線供電。所謂總線供電或總線饋電，是指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供工作電源。采用總線供電可以減少網絡線纜，降低安裝復雜性與費用，提高網絡和系統的易維護性。特別是在惡劣與危險的場合，總線供電具有十分重要的意義。由于以太網以前主要用于商業計算機通信，一般的設備或工作站（如計算機）本身已具有電源供電，沒有總線供電的要求，因此傳輸媒體只用于傳輸信息。
· 互操作性。互操作性是指連接到同一網絡上的不同廠家的設備之間通過同一的應用層協議進行通信與互用，性能類似的設備可以實現互換。作為開放系統特點之一，互操作性向用戶保證了來自不同廠商的設備可以相互通信，并且可以在多廠商產品的集成環境中共同工作。這一方面提高了系統的質里，另一方面為用戶提供了更大市場選擇機會。互可操作性是決定某一通信技術能否被廣大自動化設備制造商和用戶接受，并進行大面積應用的關鍵。
· 網絡生存性。所謂網絡生存性，是指以太網應用于工業現場控制時，必須具備較強的網絡可用性。任何一個系統組件發生故障，不管它是否是硬件，都會導致操作系統、網絡、控制器和應用程序以致于整個系統的癱瘓，則說明該系統的網絡生存能力很弱。因此，為了使網絡正常運行時間最大化，需要以可靠的技術來保證在網絡維護和改進時，系統不發生中斷。
· 本質安全與安全防爆技術。在生產過程中，很多工業現場不可避免地存在易燃、易爆與有毒等場合。對應用于這些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技術措施來保證工業現場的安全。
現場設備的防爆技術包括兩類，即隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型。與隔離型技術相比，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。
以太網系統的本質安全包括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現場設備。由于目前以太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在60～70mA（5V工作電源），因此相對而言，基于以太網的低功耗現場設備和交換機的設計比較困難。
· 遠距離傳輸。在工業現場，由于生產裝置一般都比較復雜，各種測量和控制儀表的空間分布比較分散，彼此間的距離比較遠，有時設備與設備之間的距離長達數公里。對于這種情況，如遵照傳輸的方法設計以太網，使用10Base-T雙絞線就顯得遠遠不夠，而使用10Base-2或10Base-5同軸電纜則不能進行全雙工通信，而且布線成本也比較高。同樣，如果在現場都采用光纖傳輸介質，布線成本可能比較高，但隨著互聯網和以太網技術的大范圍應用，光纖成本肯定會大大降低。
5、結束語
以太網和Internet技術的發展將完全改變傳統企業的網絡架構。毫無疑問，以太網在工業自動化網絡方面扮演著一個非常重要的角色。根據對三大汽車制造商的最新研究結果，以太網至少可以適用于70％的現場網絡，這意味著工業以太網有著非常廣泛的前景。
控制技術已從集中控制系統發展到集散控制系統。目前正向第三代控制系統－分布式智能（Distributed Intelligence）邁進。由于交換式以太控制網絡具有的高帶寬和延遲確定性雙重優點，為實現分布式智能提供了通信網絡平臺，引發了自動化體系結構的一場革命。這表明分布式智能是自動化必然的未來，而交換式以太控制網絡技術功不可沒。
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