在工業生產中，隨著生產規模的擴大和複雜程度的提高，實際應用對控制系統的要求越來越高。在20世紀50~60年代，以模擬訊號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監控系統取代傳統的機電控制系統。隨後是在70~80年代，集散控制系統DCS（Distributed Control System）的出現，把大量分散的單迴路測控系統透過計算機進行集中統一管理，用各種I/O功能模組代替控制室儀表，利用計算機實現迴路調節、工況聯鎖、引數顯示、資料儲存等多種功能，從而實現了工業控制技術的飛躍。

　　DCS一般由操作站級、過程控制級和現場儀表三級組成，其特點是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監督管理。分散控制使得系統由於某個區域性的不可靠而造成對整個系統的損害降到較低的程度，且各種軟硬體技術不斷走向成熟，極大地提高了整個系統的可靠性，因而迅速成為工業自動控制系統的主流。但DCS的結構是多級主從關係，底層相互間進行資訊傳遞必須經過主機，從而造成主機負荷過重，效率低下，並且主機一旦發生故障，整個系統就會“癱瘓”。而且DCS是一種數字-模擬混合系統，現場儀表仍然使用傳統的4~20mA模擬訊號，工程與管理成本高，柔性差。此外各製造商的DCS自成標準，通訊協議封閉，極大的制約了系統的整合與應用。

　　進入90年代，具有數字化的通訊方式、全分散的系統結構、開放的網際網路絡、多種傳輸媒介和拓撲結構、高度的環境適應性等特點的現場匯流排（Fieldbus）技術迅速崛起並趨向成熟，控制功能全面轉入現場智慧儀表，而在此基礎上形成的新的現場匯流排控制系統FCS（Fieldbus Control System）綜合了數字通訊技術、計算機技術、自動控制技術、網路技術和智慧儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬訊號或數字-模擬訊號控制的侷限性，構成一種全分散、全數字化、智慧化、雙向、互連、多變數、多接點的通訊與控制系統。相應的控制網路結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為裝置層、控制層和資訊層。採用了現場匯流排技術使控制功能下放到現場裝置成為可能，現場匯流排標準不僅是通訊標準，同時也是系統標準。FCS正在走向取代DCS並推動著工業控制技術的又一次飛躍。

　　1.1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。

　　1.2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。

　　1.3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。3、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（Carrier Sense MulTIple Access/Collision Detect），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（Internet Protocol），同時還提供ARP（Address ResoluTIon Protocol）、RARP（Reverse Address ResoluTIon Protocol）、ICMP（Internet Control Messages Protocol）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（User Datagram Protocol）和傳輸控制協議TCP（Transfer Control Protocol）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。

　　乙太網支援的傳輸介質為粗同軸電纜、細同軸電纜、雙絞線、光纖等，其最大優點是簡單，經濟實用，易為人們所掌握，所以深受廣大使用者歡迎。與現場匯流排相比，乙太網具有以下幾個方面的優點：

　　（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。

　　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（Binary ExponenTIal Back-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。

　　一般來講，工業乙太網是專門為工業應用環境設計的標準乙太網。工業乙太網在技術上與商用乙太網（即IEEE802.3標準）相容，工業乙太網和標準乙太網的異同可以比之與工業控制計算機和商用計算機的異同。乙太網要滿足工業現場的需要，需達到以下幾個方面的要求。

　　（1）適應性

　　包括機械特性（耐振動、耐衝擊）、環境特性（工作溫度要求為-40~+85℃，並耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁相容性EMC應符合EN50081-2、EN50082-2標準。

　　（2）可靠性

　　由於工業控制現場環境惡劣，對工業乙太網產品的可靠性也提出了更高的要求。

　　（3）本質安全與安全防爆技術

　　對應用於存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業現場的智慧裝備以及通訊裝置，都必須採取一定的防爆措施來保證工業現場的安全生產。現場裝置的防爆技術包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型兩類。與隔爆型技術相比，本質安全技術採取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經濟上的優點：結構簡單、體積小、重量輕、造價低;可在帶電情況下進行維護和更換;安全可靠性高;適用範圍廣。實現本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由於目前乙太網收發器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5V工作電源），因此低功耗的現場裝置（如工業現場乙太網交換機、傳輸媒體以及基於乙太網的變送器和執行機構等）設計難以實現。因此，在目前的技術條件下，對乙太網系統採用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對於沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮複雜的防爆措施。

　　（4）安裝方便，適應工業環境的安裝要求，如採用DIN導軌安裝。

　　隨著相關技術的發展，乙太網的發展也取得了本質的飛躍，再借助於相關技術，可以從總體上提高乙太網應用於工業控制中的實用性。

　　5.1採用交換技術

　　傳統乙太網採用共享式集線器，其結構和功能僅僅是一種多埠物理層中繼器，連線到共享式集線器上的所有站點共享一個頻寬，遵循CSMA/CD協議進行傳送和接收資料。而交換式集線器可以認為是一個受控的多埠開關矩陣，各個埠之間的資訊流是隔離的，在源端和交換裝置的目標端之間提供了一個直接快速的點到點連線。不同埠可以形成多個數據通道，埠之間的資料輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現代交換機技術的發展，交換機埠內部之間的傳輸速率比整個裝置層乙太網埠間的傳輸速率之和還要大，因而減少乙太網的衝突率，併為衝突資料提供快取。當然交換機的工作方式必須是儲存轉發方式，這樣在系統中只有點對點的連線，不會出現碰撞。多個交換把整個乙太網分解成許多獨立的區域，乙太網的資料衝突只在各自的衝突域裡存在，不同域之間沒有衝突，可以大大提高網路上每個站點的頻寬，從而提高了交換式乙太網的網路效能和確定性。

　　交換式乙太網沒有更改原有的乙太網協議，可直接使用普通的乙太網卡，大大降低了組網的成本，並從根本上解決了乙太網通訊傳輸延遲存在不確定性的問題。研究表明，通訊負荷在10%以下時，乙太網因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計。在工業控制網路中，傳輸的資訊多為週期性測量和控制資料，報文小，資訊量少，傳輸的資訊長度較小。這些資訊包括生產裝置執行引數的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態、裝置的資源與維護資訊、系統組態、引數修改、零點與量程調校資訊等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個位元組，對網路傳輸的吞吐量要求不高。研究表明，在擁有6000個I/O的典型工業控制系統中，通訊負荷為10M乙太網的5%左右，即使有操作員資訊傳輸（如設定值的改變，使用者應用程式的下載等），10M乙太網的負荷也完全可以保持在10%以下。

　　5.2採用高速乙太網

　　隨著網路技術的迅速發展，先後產生了高速乙太網（100M）和千兆乙太網產品和國際標準，10G乙太網產品也已經面世。透過提高通訊速度，結合交換技術，可以大大提高通訊網路的整體效能。

　　5.3採用全雙工通訊模式

　　交換式乙太網中一個埠是一個衝突域，在半雙工情況下仍不能同時傳送和接收資料。如果採用全雙工模式，同一條資料鏈路中兩個站點可以在傳送資料的同時接收資料，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通訊技術可以使裝置埠間兩對雙絞線（或兩根光纖）上同時接收和傳送報文幀，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，衝突域也就不復存在。對於緊急事務資訊，則可以根據IEEE802.3p。

　　5.4採用虛擬區域網技術

　　虛擬區域網（VLAN）的出現打破了傳統網路的許多固有觀念，使網路結構更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據部門職能、物件組和應用等因素將不同地理位置的網路使用者劃分為一個邏輯網段。區域網交換機的每一個埠只能標記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播資訊是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產生。工業過程控制中控制層單元在資料傳輸實時性和安全性方面都要與普通單元區分開來，使用虛擬區域網在工業乙太網的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區分開，從而達到提高網路的整體安全性和簡化網路管理的目的。通常虛擬區域網的劃分方式有靜態埠分配、動態虛擬網和多虛擬網埠配置三種。靜態埠分配指的是網路管理人員利用網管軟體或裝置交換機的埠，使其直接從屬某個虛擬網，這些埠將保持這樣的從屬性，除非網管人員重新設定;動態虛擬網指的是支援動態虛擬網的埠可以藉助智慧管理軟體自動確定它們的從屬;多虛擬網埠配置支援一個使用者或一個埠同時訪問多個虛擬網，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門可以同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網的資源。

　　5.5引入質量服務（QoS）

　　IP QoS是指IP的服務質量（quality of service），亦即IP資料流透過網路時的效能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。QoS有一套度量指標，包括業務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網路可以區分實時-非實時資料，在工業乙太網中採用QoS技術，可以識別來自控制層的擁有較高優先順序的資料，並對它們優先處理，在響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優先順序等方面，使工業乙太網滿足工業自動化實時控制要求。另外，QoS網路還可以制止對網路的非法使用，譬如非法訪問控制層現場控制單元和監控單元的終端等。

　　此外，還出現了受大公司支援的工業乙太網應用標準及相關協議的改進。將工業乙太網引入底層網路，不僅使現場層、控制層和管理層在垂直層面上方便整合，更能降低不同廠家裝置在水平層面上的整合成本，乙太網向底層網路的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支援工業乙太網並制訂了不同的工業應用標準。如Rockwell、OMRON等公司支援Ethernet/IP，IP是指工業協議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和資訊協議的應用層移植到TCP.FF制定的高速乙太網協議HSE提供了釋出方/定購方、物件等模型，主要用於工程控制領域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支援。由Schneider公司釋出的Modbus/TCP協議將Modbus協議捆綁在TCP協議上，易於實施，能夠實現互聯。

　　為了提高實時性，乙太網協議也作了一些改進。一種完全基於軟體的協議RETHER（Real Time Ethernet）可以在不改變乙太網現有硬體的情況下確保實時性，它採用一種混合操作模式，能減少對網路中非實時資料傳輸效能的影響;非競爭的容許控制機制和有效的令牌傳遞方案能防止由於節點故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協議的網路以CSMA和RETHER兩種模式執行。在實時對話期間，網路將透明地轉換到RETHER模式，實時對話結束後又重新回到CSMA模式。還有一種乙太網協議叫RTCC（Real Time Communication Control），為分散式實時應用提供了良好的基礎。

RTCC是加在Ethernet之上的一層協議，能提供高速、可靠、實時的通訊。它不需要改變現有的硬體裝置，採用命令/響應多路傳輸和匯流排表兩種新穎的機制來分配通道。所有節點在RTCC協議中被分為匯流排控制器（BC）和遠端終端（RT）兩類，BC只有一個，其餘都是RT.資訊傳送的發起和管理都由BC承擔，訪問仲裁過程和傳輸控制過程都是由BC來實現的，透過兩個過程的整合與同步，不僅節點的傳送時間是確定的，而且節點使用匯流排的時間也可控。在10Mbps乙太網上的實驗表明，RTCC有令人滿意的確定性。第三種改進實時性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與Ethernet MAC之間加一個流量平衡器。作為它們之間的介面，它被安裝在每一個網路節點上。在本地節點，它給予實時資料包以優先權來消除實時資訊與非實時資訊的競爭，同時平衡非實時資訊，以減少與其他節點實時資訊之間的衝突。為了保證非實時資訊的吞吐量，流量平衡器還能根據網路的負載情況調整資料流產生率。這種方法不需要對現有的標準Ethernet MAC協議和TCP或UDP/IP作任何改動。

　　因此，針對乙太網排隊延遲的不確定性，透過採用適當的流量控制、交換技術、全雙工通訊技術、資訊優先順序等來提高實時性，並改進了容錯技術、系統設計技術以及冗餘結構，乙太網完全能用於工業控制網路。事實上，20世紀90年代中後期，國內外各大工控公司紛紛在其控制系統中採用乙太網，推出了基於乙太網的DCS、PLC、資料採集器，以及基於乙太網的現場儀表、顯示儀表等產品。

　　隨著網路和資訊科技的日趨成熟，在工業通訊和自動化系統中採用乙太網和TCP/IP協議作為最主要的通訊介面和手段，向網路化、標準化、開放性方向發展將是各種控制系統技術發展的主要潮流。乙太網作為目前應用最廣泛、成長最快的區域網技術，在工業自動化和過程控制領域得到了超乎尋常的發展。同時，基於IP的全程一體化定址，為工業生產提供的標準、共享、高速的資訊化通道解決方案，也必將對控制系統產生深遠的影響。