隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的成熟以及國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)以太網(wǎng)逐步的走向一些中小企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)。與此同時(shí)，人力成本不斷上漲，迫使企業(yè)對(duì)設(shè)備自動(dòng)化程度也越來(lái)越重視。在這樣的背景下我們討論一下工業(yè)以太網(wǎng)與我們?nèi)粘Ｋf(shuō)的以太網(wǎng)的區(qū)別。
在講以太網(wǎng)的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機(jī)制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。它最早出現(xiàn)在1972，由XeroxPARC所創(chuàng)建。當(dāng)前以太網(wǎng)采用星型和總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統(tǒng)的共享網(wǎng)絡(luò)中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著2臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)間的互相沖突。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個(gè)站點(diǎn)訪問(wèn)介質(zhì)前，必須先監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上有沒(méi)有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。，如果有則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少?zèng)_突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)CSMA的算法2。由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場(chǎng)總線廠商大開(kāi)了方便之門(mén)，但是，要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷：
(一)通信的非確定性
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠快和滿足信號(hào)的確定性。實(shí)時(shí)控制往往要求對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。
(二)通信非實(shí)時(shí)性
在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件的反應(yīng)時(shí)間的可測(cè)性。也就是說(shuō)，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備，人身安全事故。
(三)商用以太網(wǎng)不具備高穩(wěn)定性與可靠性
傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的惡劣的工況，嚴(yán)重的線間干擾以及機(jī)械、氣候、塵埃等條件的惡劣，而且以太網(wǎng)的抗干擾(EMI)性能非常差，應(yīng)用于危險(xiǎn)場(chǎng)合時(shí)，不具備本質(zhì)安全性能;因此對(duì)設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。同時(shí)在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性，可恢復(fù)性，以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。
(四)安全性問(wèn)題
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，很多現(xiàn)場(chǎng)不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對(duì)應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝置以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來(lái)保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)。在目前技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆、防爆的措施比較可行，即通過(guò)對(duì)Ethernet現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采取增安、氣密、澆封等隔爆措施，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身的故障產(chǎn)生的點(diǎn)火能量不外泄，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。對(duì)于沒(méi)有嚴(yán)格的本安要求的非危險(xiǎn)場(chǎng)合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個(gè)安全性問(wèn)題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即信息管理層、過(guò)程監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運(yùn)作效率。但同時(shí)也引人了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全向題，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。
(五)總線供電問(wèn)題
總線供電(或稱總線饋電)是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。以太網(wǎng)從設(shè)計(jì)之初就沒(méi)有考慮到這一問(wèn)題，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在著大量的總線供電需求。
正因?yàn)橛幸陨现T多問(wèn)題，普通的商用以太網(wǎng)是不能夠直接用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制的。為了解決這些問(wèn)題工業(yè)以太網(wǎng)便應(yīng)運(yùn)而生。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，以太網(wǎng)傳輸速率的提高和以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)的上述問(wèn)題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在得到解決。
