以太网在工业控制中的应用综述

在TCP协议中，网络层的核心协议是IP(Internet Protocol)，同时还提供ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等协议。该层的主要功能包括处理来自传输层的分组发送请求(即组装IP数据报并发往网络接口)、处理输入数据报、转发数据报或从数据报中抽取分组、处理差错与控制报文(包括处理路由、流量控制、拥塞控制等)。

传输层的功能是提供应用程序间(端到端)的通信服务，它提供用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)和传输控制协议TCP(Transfer Control Protocol)两个协议。UDP负责提供高效率的服务，用于传送少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用UDP的应用程序需自己完成可靠性操作;TCP负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于传送大量报文，并保证数据传输的可靠性。

以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最大优点是简单，经济实用，易为人们所掌握，所以深受广大用户欢迎。与现场总线相比，以太网具有以下几个方面的优点:

(1) 兼容性好，有广泛的技术支持

基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，不同厂商的设备很容易互联，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如VB、Java、VC等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展。

(2) 易于与Internet连接

以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过Internet对企业进行监控，能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库。

(3) 成本低廉

采用以太网能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的广泛支持，具有丰富的软硬件资源，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，在技术升级方面无需单独的研究投入，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

(4)可持续发展潜力大

由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术的持续发展。

(5) 通信速率高

目前以太网的通信速率为10M或100M，1000M、10G的快速以太网也开始应用，以太网技术也逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快得多，以太网可以满足对带宽的更高要求。

4、以太网应用于控制时存在的问题

但是传统的以太网是一种商用网络，要应用到工业控制中还存在一些问题，主要有以下几个方面。

(1) 存在实时性差，不确定性的问题

传统的以太网采用了CSMA/CD的介质访问控制机制，各个节点采用BEB(Binary Exponential Back-off)算法处理冲突，具有排队延迟不确定的缺陷，每个网络节点要通过竞争来取得信息包的发送权。通信时节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发，因此无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性，不能满足工业过程控制在实时性上的要求，甚至在通信繁忙时，还存在信息丢失的危险，从而限制了它在工业控制中的应用。

(2) 工业可靠性问题

以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要，如超高或超低的工作温度，大电机或其他大功率设备产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。以太网如在车间底层应用，必须要解决可靠性的问题。

(3) 以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆

工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作供给电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。

(4) 以太网不是本质安全系统

(5) 安全性问题

以太网由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安全漏洞。对此，一般可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理，但针对工业自动化控制网络安全问题的解决方案还需要认真研究。

(6) 现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题

上述这些问题中，实时性、确定性及可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。为了解决这一问题，人们提出了工业以太网的解决办法。

5、工业以太网

一般来讲，工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，工业以太网和标准以太网的异同可以比之与工业控制计算机和商用计算机的异同。以太网要满足工业现场的需要，需达到以下几个方面的要求。

(1) 适应性

包括机械特性(耐振动、耐冲击)、环境特性(工作温度要求为-40～+85℃，并耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN50082-2标准。

(2) 可靠性

由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品的可靠性也提出了更高的要求。

(3) 本质安全与安全防爆技术

对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场的智能装备以及通信设备，都必须采取一定的防爆措施来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括隔爆型(如增安、气密、浇封等)和本质安全型两类。与隔爆型技术相比，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，可以带来以下技术和经济上的优点:结构简单、体积小、重量轻、造价低;可在带电情况下进行维护和更换;安全可靠性高;适用范围广。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在六七十mA(5V工作电源)，因此低功耗的现场设备(如工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的变送器和执行机构等)设计难以实现。因此，在目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行。另一方面，对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。