基于工業Ethernet的現場實際應用及其策略
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一個典型的企業網絡信息集成系統可以分成三層結構：控制網Infranet、企業內部網Intranet和全球信息互聯網Internet。在企業級的Intranet以及國際互聯網Internet無可厚非的采用事實標準：Ethernet，但在現場級的Infranet，由于受商業Ethernet的影響，工業控制業界人士提出了工業Ethernet的概念，因此此層分歧較大，目前討論最多的便是FCS（Fieldbuscontrolsystem）和工業Ethernet。
現場總線（Fieldbus）是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，是基于現場對象的通信網絡與控制系統的集成。FCS（Fieldbuscontrolsystem）集當今計算機技術、網絡技術和控制技術為一體的當代最先進的計算機控制技術，具有全數字化、全分布、雙向傳輸、自診斷、節省布線及控制室空間、多功能儀表、開放性、智能化、自治性等特性。然而迄今為止IEC61158規定的包括Profibus（Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA）、基金會現場總線FF（Ｈ１，IEC技術報告）、Interbus、ControlNet、WorldFIP、FFHSE，、SwiftNet以及P－Net在內的八種現場總線的通信協議有很大差異，互聯非常困難，同時，FCS大多采用了ISO的參考模型中的物理層、數據鏈路層、應用層以及極具特色的用戶層，為保證數據傳輸可靠性而使傳輸速度較低，無法滿足控制的實時性要求，特別隨著現場設備功能逐漸增強，現場控制設備之間以及現場控制設備與Intranet信息交換量成倍增加，使FCS在工業控制中的應用受到了一定的限制。這不但使FCS的開放性、分散性和可互操作性等特點難以體現，而且確實給用戶的使用帶來很大的不便，因此給現場總線技術的推廣以及現場總線控制系統的應用帶來不利的影響。
從Ethernet與現場總線的交叉發展趨勢可以看出，兩者將有機地結合起來。一方面由于受環境及特種技術的要求限制，現場總線的低端（即I/O端）仍采用低速網（如FF的H1，DeviceNet或Profibus的PA）將智能儀表等設備連接；另一方面一些兼容的智能設備采用中速網（如FF的H2或Profibus的DP）連接控制器、數據集中器、遠程I/O及智能I/O設備；在廠級系統中，采用高速Ethernet連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統，這就是LAN/Fieldbus的網絡結構
Ethernet本質上只是一個物理層標準，就象RS232/RS422A/RS485標準一樣。但目前在傳輸層和網絡層基本上已經統一，TCP/IP協議已為多數工業控制器廠家所接受。在應用層的協議上還存在著分歧，目前三個主要的競爭對手是Modbus/TCP（基于TCP/IP的Modbus協議）、EtherNet/IP（基于TCP/IP的ControlNet/DeviceNet）和基于Ethernet的Profibus協議。Modbus由于它本身是一個開放的協議，為眾多的供貨商所支持，所以如果說在現在工業Ethernet方面存在事實上的標準，則只能是Modbus/TCP。但從市場和利益角度考慮，工業Ethernet在應用層的統一還需要比較長的時間。由于Ethernet本身的開放性，它允許在同一個網絡上運行不同的應用層協議，在許多實際應用中具有明顯的無可替代的優勢。工業Ethernet和Internet技術的發展將完全改變傳統工業企業的網絡架構。因此Ethernet向控制系統底層延伸是必然的，WebSCADA將會成為眾多企業實現管控信息一體化所選擇的第一步。Web技術的滲透使過程I/O信號不再專屬于某一個控制系統；虛擬儀器的出現更使多個用戶能夠不必親臨現場就可以監控多個過程。管控一體化的所有優勢都基于數據的開放性。
2.工業Ethernet應用策略
2.1通信實時性
Ethernet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。由于Ethernet采用沖突檢測載波監聽多點訪問(CSMA/CD——CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)機制解決通信介質層的競爭。Ethernet的這種機制導致了非確定性的產生。因為在一系列碰撞后，報文可能會丟失，節點與節點之間的通信將無法得到保障，從而使控制系統需要的通信確定性和實時性難以保證。但隨著互聯網技術的發展和大面積推廣應用，Ethernet也得到了迅速發展，使通信確定性和實時性得到了增強。主要通過如下途徑：
（1）網絡拓撲上，采用星型連接代替線性結構，使用網橋或路由器等設備將網絡分割成多個網段(Segment)。
（2）用Ethernet交換技術，將網絡沖突域進一步細化，在Ethernet交換機組成的系統中，每個端口就是一個沖突域，各個沖突域通過交換機實現了隔離。
（3）采用全雙工通信技術，可以使設備端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上可以同時接收和發送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣任一節點發送報文幀時不會再發生碰撞，沖突域也就不復存在。
（4）通過降低網絡負載和提高網絡傳輸速率，可以使傳統共享式Ethernet上的碰撞大大降低。
2.2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。對現場設備的總線供電可采用不改變目前Ethernet的物理層結構，即應用于工業現場的Ethernet仍然使用目前的物理層協議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供工作電源。
2.3互可操作性
互可操作性是指連接到同一網絡上不同廠家的設備之間通過統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。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所接受，并進行大面積推廣應用的關鍵。要解決基于Ethernet的工業現場設備之間的互可操作性問題，唯一而有效的方法就是在Ethernet+TCP(UDP)/IP協議的基礎上，制訂統一并適用于工業現場控制的應用層技術規范，在應用層上增加用戶層，將工業控制中的功能塊FB(FunctionBlock)進行標準化，不同自動化制造商的工控產品共同遵守標準化的應用層和用戶層，就能實現它們之間的互可操作。
2.4網絡生存性
所謂網絡生存性，是指Ethernet應用于工業現場控制時，必須具備較強的網絡可用性。包括以下幾個方面的內容。(1)可靠性、(2)可恢復性、(3)可維護性等。為提高工業Ethernet的生存能力，提高基于Ethernet的控制系統的可用性，可采用在進行基于Ethernet的控制系統設計時，通過可靠性設計提高現場設備的可靠性或采用環型冗余結構Ethernet網絡以提高系統的可恢復性，或采用智能設備管理系統，對現場設備進行在線監視和診斷、維護管理。
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