工業(yè)實時以太網(wǎng)
以太網(wǎng)的由來
以太網(wǎng)（Ethernet）最初是由美國xerox公司于1975年提出的一種局域網(wǎng)，以無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名，而現(xiàn)在證明這種傳播電磁波的介質(zhì)“以太”其實并不存在。1980年9月，DEC、Intel和xerox合作，公布了以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，稱為DIX規(guī)范。IEEE802.3是由美國電氣與電子工程師協(xié)會IEEE在DIX規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改而制訂的標(biāo)準(zhǔn)，并由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO接受而成為ISO8802.3標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)格來講，以太網(wǎng)與ISO8802.3標(biāo)準(zhǔn)并不完全相同，但人們通常卻將IEEE802.3認(rèn)為是以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng)的特點和好處
與其他現(xiàn)場總線或工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)有以下特點：
(1)應(yīng)用廣泛。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持，幾乎所有的編程語言都支持其應(yīng)用開發(fā)。
(2)成本低廉。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)商與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，有多種產(chǎn)品供用戶選擇。而且由于應(yīng)用廣泛，硬件價格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有現(xiàn)場總線的1/10，而且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價格還會進(jìn)一步降低。
(3)通信速率高。目前通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用，1000M的技術(shù)也已成熟，10G的以太網(wǎng)也正在研究之中。
(4)軟硬件資源豐富。由于以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)用等方面積累了很多經(jīng)驗，大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用，從而可顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大地加快了系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。
(5)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使其發(fā)展一直受到廣泛的重視，并得到大量技術(shù)的投入。信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。
(6)由于與Internet連接能夠?qū)崿F(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)信息的無縫集成，因此工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)就可以避免其發(fā)展游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)、共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，在技術(shù)升級方面無需單獨的研究投入。
正因為如此，自20世紀(jì)90年代中后期，以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域就開始得到應(yīng)用。如今以太網(wǎng)已成為企業(yè)信息管理層（ERP企業(yè)資源管理）、制造執(zhí)行層（MES）和過程控制層（PCS）的首選，并有逐漸向下延伸到直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場儀表的趨勢。所謂“e”網(wǎng)到底，就是這個意思。
工業(yè)以太網(wǎng)
以太網(wǎng)是專門為辦公自動化設(shè)計的，所以要用于工業(yè)領(lǐng)域還要改進(jìn)。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，是指在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。具體來講，要滿足環(huán)境適用性、安全性、可靠性的要求。
為此國際上成立了一些工業(yè)以太網(wǎng)組織，如工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會、工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會、IDA小組等。另外，一些現(xiàn)場總線組織，如FF也在其低速現(xiàn)場總線H1的基礎(chǔ)上推出了基于以太網(wǎng)的高速總線HSE（High Speed Ethernet）。
工業(yè)實時以太網(wǎng)
由于以太網(wǎng)不是專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的，因此其通信機(jī)制是采用CSMA/CD，即載波偵聽多路訪問/沖突檢測，其主要思想可用“先聽后說，邊說邊聽”來形象地表示。CSMA/CD的優(yōu)勢在于站點無需依靠中心控制就能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信量較小時，沖突很少發(fā)生，這種介質(zhì)訪問控制方式是快速而有效的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的時候，就容易出現(xiàn)沖突，網(wǎng)絡(luò)性能也相應(yīng)降低。
以太網(wǎng)先天上就沒有實時性，但也可以看到，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷輕的時候沖突很少發(fā)生。隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速提高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸趨于實時性和確定性。因此，如通過精心設(shè)計，采取各種有效措施，可以使以太網(wǎng)成為在時間上有確定性的實時通信系統(tǒng)。按照目前的水平，工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時間可小于4ms，幾乎可以滿足所有工業(yè)過程控制的要求。
那么如何使工業(yè)以太網(wǎng)具有實時性呢？首先，可以增加通信網(wǎng)的帶寬。事實證明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷在30%時，其實時性與具有實時性的ARC net相當(dāng)，而小于30%時還優(yōu)于ARC net。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)也是一種方法，在以太網(wǎng)交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)中，每個端口就是一個沖突域，各個沖突域通過交換機(jī)進(jìn)行隔離，實現(xiàn)了系統(tǒng)中沖突域的連接和數(shù)據(jù)幀的交換。此外還可以采用全雙工通信、按優(yōu)先級發(fā)送信息、將經(jīng)常需要通信的站點放在同一個子網(wǎng)段內(nèi)等措施來使工業(yè)以太網(wǎng)具有實時性。
現(xiàn)狀、存在問題與發(fā)展趨勢
目前現(xiàn)場總線和實時以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)加起來有20種。其中實時以太網(wǎng)適合過程自動化（PA）的有我國浙江中控開發(fā)的EPA（Ethernet for Plant Automation）；適用于工廠自動化（FA）的有Profinet；適用于運動控制（Motion Control）的有EtherCAT及SERCOS Ⅲ等。
目前EPA正處于實施產(chǎn)業(yè)化的過程，上自儀、川儀等公司正在準(zhǔn)備推出EPA的現(xiàn)場儀表，有的已在小規(guī)模試用；Profinet分CBA（基于自動化的組件）與I/O Link兩部分，CBA可以按照FA的各種工藝流程做成電子組件。在實施工程建設(shè)的過程中，易于拼裝是其優(yōu)點，如對飲料的灌裝過程，可分為洗瓶、灌裝及打包三個部分。所以這種辦法對工廠自動化很有用，但對于過程自動化則有些問題。因為大部分PA與熱交換過程有關(guān)，而熱交換的數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，有時很難建立。而在現(xiàn)場儀表方面，供電與防爆問題還未妥善解決；EtherCAT目前已經(jīng)在運動控制方面有所應(yīng)用。
對PA而言，目前實時以太網(wǎng)要妥善解決的問題是現(xiàn)場儀表的供電與防爆的問題；由于實時以太網(wǎng)采用了全雙工以后，電纜的芯數(shù)增加了，全雙工要用4芯電纜，加上供電至少要用6芯電纜，比起現(xiàn)場總線只需要2芯的雙絞線而言，電纜的芯數(shù)增加了；實時以太網(wǎng)可以實現(xiàn)“e”網(wǎng)到底，其優(yōu)點是從現(xiàn)場儀表收集到的信息可以無縫連接地傳到企業(yè)的管理層（ERP）去，但需要實際的驗證。這就要設(shè)置一個大型規(guī)模的示范工程才行，因為工程大，測點會多，MES層的功能如先進(jìn)控制（APC）、生產(chǎn)調(diào)度等都會有，這樣才能體現(xiàn)無縫連接的優(yōu)點，光是小工程的應(yīng)用是體現(xiàn)不出來的；目前Profinet在實時以太網(wǎng)深入到現(xiàn)場儀表這方面進(jìn)展緩慢，只能靠Profinet-PA現(xiàn)場儀表接入到Profinet系統(tǒng)中才能實現(xiàn)。
（轉(zhuǎn)載）
