首先現場匯流排應用中的問題

1.標準問題

現場匯流排控制系統在實際應用中還存在一些問題有待解決，其中最突出的問題就是缺少統一的標準。2000年初IEC公佈的IEC61158國際標準，產生了H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等８種IEC現場匯流排國際標準子集。IEC現場匯流排國際標準制定的結局表明，在相當長的一段時期內，將出現多種現場匯流排並存的局面，並導致控制網段的系統整合與資訊整合面臨困難。

無論是終端使用者還是工程整合商也包括製造商，都在尋求高效能、低成本的解決方案。8種類型的現場匯流排採用不同的通訊協議，要實現這些匯流排的相互相容和互操作幾乎是不可能的。每種現場匯流排都有自己最合適的應用領域，如何在實際中根據應用物件，將不同層次的現場匯流排組合使用，使系統的各部分都選擇最合適的現場匯流排，對使用者來說，仍然是比較棘手的問題。

2.系統的整合問題

在實際應用中，一個大的系統很可能採用多種的現場匯流排，特別是中國那些高速成長的終端使用者，在企業的不同發展階段和國際範圍的跨國製造裝備採購幾乎不可能統一技術前沿的現場匯流排。如何把企業的工業控制網路與管理層的資料網路進行無縫地整合，從而使整個企業實現管控一體化，顯得十分關鍵。現場匯流排系統在設計網路佈局時，不僅要考慮各現場節點的距離，還要考慮現場節點之間的功能關係、資訊在網路上的流動情況等。由於智慧化現場儀表的功能很強，因此許多儀表會有同樣的功能塊，組態時要仔細考慮功能塊的選擇，使網路上的資訊流動最小化。同時通訊引數的組態也很重要，要在系統的實時性與網路效率之間做好平衡。

3.存在技術瓶頸

現場匯流排在應用中還存在一些技術瓶頸問題，主要表現在以下幾個方面。

（1）當匯流排電纜斷開時，整個系統有可能癱瘓。使用者希望這時系統的效能可以降低，但不能崩潰，這一點目前許多現場匯流排不能保證。

（2）本安防爆理論的制約。現有的防爆規定限制匯流排的長度和總線上負載的數量。這就是限制了現場匯流排節省電纜優點的發揮。

（3）系統組態引數過分複雜。現場匯流排的組態引數很多，不容易掌握，但組態引數設定得好壞，對系統性能影響很大。

因此，採用一種統一的現場匯流排標準對於現場匯流排技術的發展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統的發展與應用，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴充套件性和相容性的問題，業內人士把目光轉移到了在商用區域網中大獲成功的具有結構簡單、成本低廉、易於安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬體資源豐富、相容性好、靈活性高、易於與Internet整合、支援幾乎所有流行的網路協議的乙太網技術。

乙太網與TCP/IP

乙太網（Ethernet）最早來源於Xerox公司於1973年建造的網路系統，是一種匯流排式區域網，以基帶同軸電纜作為傳輸介質，採用CSMA/CD協議。Xerox公司建造的乙太網非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯合起草了乙太網標準。1985年，IEEE802委員會吸收乙太網為IEEE802.3標準，並對其進行了修改。乙太網標準和IEEE802.3標準的主要區別是乙太網標準只描述了使用50歐同軸電纜、資料傳輸率為10Mbps的匯流排區域網，而且乙太網標準包括ISO資料鏈路層和物理層的全部內容;而IEEE802.3標準描述了執行在各種介質上的、資料傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協議的區域網，而且IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的資料鏈路層的一個子層（即介質訪問控制MAC子層）和物理層，而資料鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。

該規範規定採用載波偵聽多路訪問/衝突（碰撞）檢測CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect），訊號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。

按照ISO的OSI七層結構，乙太網標準只定義了資料鏈路層和物理層，作為一個完整的通訊系統。乙太網在成為資料鏈路和物理層的協議之後，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由於後來國際互連網採用了乙太網和TCP/IP協議，人們甚至把如超文字連線HTTP等TCP/IP協議組放在一起，稱為乙太網技術;TCP/IP的簡單實用已為廣大使用者所接受，不僅在辦公自動化領域內，而且在各個企業的管理網路、監控層網路也都廣泛使用乙太網技術，並開始向現場裝置層網路延伸。如今，TCP/IP協議成為最流行的網際互聯協議，並由單純的TCP/IP協議發展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協議簇。

在TCP協議中，網路層的核心協議是IP（InternetProtocol），同時還提供ARP（AddressResolutionProtocol）、RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）、ICMP（InternetControlMessagesProtocol）等協議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組傳送請求（即組裝IP資料報併發往網路介面）、處理輸入資料報、轉發資料報或從資料報中抽取分組、處理差錯與控制報文（包括處理路由、流量控制、擁塞控制等）。

傳輸層的功能是提供應用程式間（端到端）的通訊服務，它提供使用者資料報協議UDP（UserDatagramProtocol）和傳輸控制協議TCP（TransferControlProtocol）兩個協議。UDP負責提供高效率的服務，用於傳送少量的報文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應用程式需自己完成可靠性操作;TCP負責提供高可靠的資料傳送服務，主要用於傳送大量報文，並保證資料傳輸的可靠性。

（1）相容性好，有廣泛的技術支援

基於TCP/IP的乙太網是一種標準的開放式網路，適合於解決控制系統中不同廠商裝置的相容和互操作的問題，不同廠商的裝置很容易互聯，能實現辦公自動化網路與工業控制網路的資訊無縫整合。乙太網是目前應用最為廣泛的計算機網路技術，受到廣泛的技術支援。幾乎所有的程式語言都支援乙太網的應用開發，如VB、Java、VC等。採用乙太網作為現場匯流排，可以保證多種開發工具、開發環境供選擇。工業控制網路採用乙太網，就可以避免其發展遊離於計算機網路技術的發展主流之外，從而使工業控制網路與資訊網路技術互相促進，共同發展，並保證技術上的可持續發展。

（2）易於與Internet連線

乙太網支援幾乎所有流行的網路協議，能夠在任何地方透過Internet對企業進行監控，能便捷地訪問遠端系統，共享/訪問多資料庫。

（3）成本低廉

採用乙太網能降低成本，包括技術人員的培訓費用、維護費用及初期投資。由於乙太網的應用最為廣泛，因此受到硬體開發與生產廠商的廣泛支援，具有豐富的軟硬體資源，有多種硬體產品供使用者選擇，硬體價格也相對低廉。目前乙太網網絡卡的價格只有現場匯流排的十幾分之一，並且隨著積體電路技術的發展，其價格還會進一步下降。人們對乙太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟體資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發和培訓費用，在技術升級方面無需單獨的研究投入，從而可以顯著降低系統的整體成本，並大大加快系統的開發和推廣速度。

（4）可持續發展潛力大

由於乙太網的廣泛應用，使它的發展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。並且，在資訊瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程度上依賴於一個快速而有效的通訊管理網路，資訊科技與通訊技術的發展將更加迅速，也更加成熟，保證了乙太網技術的持續發展。

（5）通訊速率高

目前乙太網的通訊速率為10M或100M，1000M、10G的快速乙太網也開始應用，乙太網技術也逐漸成熟，其速率比目前的現場匯流排快得多，乙太網可以滿足對頻寬的更高要求。

4 乙太網應用於控制時存在的問題

但是傳統的乙太網是一種商用網路，要應用到工業控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

（1）存在實時性差，不確定性的問題

傳統的乙太網採用了CSMA/CD的介質訪問控制機制，各個節點採用BEB（BinaryExponentialBack-off）演算法處理衝突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網路節點要透過競爭來取得資訊包的傳送權。通訊時節點監聽通道，只有發現通道空閒時，才能傳送資訊;如果通道忙碌則需要等待。資訊開始傳送後，還需要檢查是否發生碰撞，資訊如發生碰撞，需退出重發，因此無法保證確定的排隊延遲和通訊響應確定性，不能滿足工業過程控制在實時性上的要求，甚至在通訊繁忙時，還存在資訊丟失的危險，從而限制了它在工業控制中的應用。

（2）工業可靠性問題

乙太網是以辦公自動化為目標設計的，並沒有考慮工業現場環境的適應性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機或其他大功率裝置產生的影響通道傳輸特性的強電磁噪聲等。乙太網如在車間底層應用，必須要解決可靠性的問題。

（3）乙太網不提供電源，必須有額外的供電電纜

工業現場控制網路不僅能傳輸通訊資訊，而且要能夠為現場裝置傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時匯流排供電還能減少線纜，降低佈線成本。

（4）乙太網不是本質安全系統

（5）安全性問題

乙太網由於使用了TCP/IP協議，因此可能會受到包括病毒、駭客的非法入侵與非法操作等網路安全威脅。沒有授權的使用者可能進入網路的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可採用使用者密碼、資料加密、防火牆等多種安全機制加強網路的安全管理，但針對工業自動化控制網路安全問題的解決方案還需要認真研究。

（6）現存的控制網路與新建以太控制網路的整合問題

上述這些問題中，實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙乙太網進入工業控制領域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業乙太網的解決辦法。

朋友們都知道工業乙太網是一個建立在遮蔽的、同軸雙絞線的電氣網路，它也可以用光纖作為網路導線的光網路。工業乙太網是由國際標準IEEE802.3定義的，

首先從傳輸的速率來說要比現場匯流排快的多，比如目前乙太網的傳輸速率都在10 Mb/s或100 Mb/s，甚至有的都達到了1Gb/s的速率了，而現場匯流排的速率目前還是停留在12Mb/s。

其次這種工業乙太網從它的資源共享能力來說是很強大的，只要連線網際網路的任何一臺計算機上我們都能都對工業控制現場的資料進行觀看，這樣能夠實現“控管一體化”的控制管理模式，這是現場匯流排無法做到的。

再次，工業乙太網具有很大的發展潛力，它在技術升級方面不需要單獨的投入成本，現在比較流行的工業機器人控制技術、智慧製造技術等都有賴於更高的傳輸速率和更靈活的通訊協議，那麼工業乙太網正好能滿足這方面的要求，對於現場匯流排來說則就無能為力了。

總之工業乙太網技術具有價格低廉、穩定可靠、通訊速率高、軟硬體產品比較多、應用非常廣泛並且技術成熟度高等很多優點。

我們知道現場匯流排曾經給工業自動化控制帶來異常深層次的改變，我認為現場匯流排的缺點越來越凸顯出來了，主要是由於現場匯流排種類比較多，比如有profibus匯流排、Modbus匯流排、CanOpen匯流排等各種現場匯流排這就造成了多種現場匯流排互不相容，因為它們之間的通訊協議都是不一樣的這就造成了不同現場匯流排中的控制器之間不能實現高速的實時資料傳輸，它也就不能夠滿足工業控制網路不斷增長的要求了。

透過工業乙太網技術與現場匯流排技術兩者的比較，我認為工業乙太網技術對現場匯流排技術有著碾壓性的優勢，從今後的發展潛力來看工業乙太網技術更具有很大的優勢。