1  工業以太網產生的背景
   (1)  統一現場總線標準成為泡影，誘惑依然  
   1984年美國著手製定現場總線國際標準
，若幹年以來
，世界各大公司為了商業的利益
，現場總線標準始終不能統一。通過多次投票、協商，2000年1月宣布的現場總線國際標準IEC61158將八種總線（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時列為國際標準（目前已達10種）
，形成一個妥協的結果。
   同時
，國外各大公司又推出了自己的標準，如LONWORKS
、CAN、日本三菱、法國Schneider等(deng)，目(mu)前(qian)多(duo)種(zhong)總(zong)線(xian)的(de)標(biao)準(zhun)同(tong)時(shi)存(cun)在(zai)的(de)局(ju)麵(mian)依(yi)然(ran)存(cun)在(zai)，人(ren)們(men)所(suo)說(shuo)的(de)開(kai)放(fang)性(xing)和(he)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)隻(zhi)能(neng)在(zai)同(tong)一(yi)種(zhong)總(zong)線(xian)標(biao)準(zhun)下(xia)實(shi)現(xian)，不(bu)同(tong)標(biao)準(zhun)總(zong)線(xian)之(zhi)間(jian)仍(reng)然(ran)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)。不(bu)同(tong)總(zong)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)互(hu)聯(lian)性(xing)得(de)不(bu)到(dao)保(bao)證(zheng)
，因(yin)此(ci)人(ren)們(men)在(zai)努(nu)力(li)尋(xun)求(qiu)一(yi)種(zhong)統(tong)一(yi)標(biao)準(zhun)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)
，有(you)人(ren)提(ti)出(chu)了(le)采(cai)用(yong)TCP/IP協議的以太網。
   (2)  係統集成的需求
       ①  工業自動化的管控一體化 企業信息化是我國的國策，以製造自動化及信息化為例：在需要改變業務流程度的同時

，將管理信息係統與電子商務、分散的網絡化製造加以集成，把現有的企業資源ERP改造成為基於WEB的應用係統。目前工業自動化已從單機自動化
、gongchangzidonghua，xiangxitongzidonghuafazhan
，dicengdexinxiyaojichengdaoshangcengdexinxiwangshangyishixianguankongyitihuadejichengxitong。yixiandaizhizaoyeweili
，qixiandaizhizaozidonghuamoxingrutu1所示。

圖1  現代製造自動化模型

   現代化生產係統為一個多層的工業控製係統，一般分為三層：
   •  設備層 聯接檢測設備和執行機構
；
   •  控製層 從現場設備取得數據，完成各種控製
，監測運行參數，報警和曆史趨勢分析等；
   •  信息層 將控製係統的各種數據加工後傳至上級管理網絡（TCP/IP以太網）
，以便實現管控一體化，其網絡結構如圖2所示。

圖2  企業管控一體化網絡結構圖

   ②  智能建築的係統集成 城市信息化、數字化的發展、智能建築（包括智能化住宅小區）
，已成為數字化城市的信息站點

，要實現信息共享，必須實現控製網與信息網的縱向集成，即控製網與TCP/IP的以太網集成。各子係統（空調
、給排水、供電……）由控製網互聯再經網關接入TCP/IP以太網，或者各子係統經網關直接接入TCP/IP以太網。
   智能建築集成係統網絡結構如圖3所示。

圖3  智能建築係統集成網絡結構圖

   由(you)於(yu)各(ge)子(zi)係(xi)統(tong)及(ji)各(ge)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)通(tong)訊(xun)協(xie)議(yi)是(shi)多(duo)樣(yang)化(hua)的(de)，這(zhe)兩(liang)種(zhong)集(ji)成(cheng)模(mo)式(shi)都(dou)要(yao)開(kai)發(fa)網(wang)關(guan)
，以(yi)實(shi)現(xian)協(xie)議(yi)的(de)轉(zhuan)換(huan)和(he)統(tong)一(yi)，這(zhe)樣(yang)加(jia)大(da)了(le)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)，提(ti)高(gao)了(le)成(cheng)本(ben)。有(you)人(ren)大(da)膽(dan)提(ti)出(chu)能(neng)否(fou)用(yong)TCP/IP協(xie)議(yi)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)統(tong)一(yi)的(de)協(xie)議(yi)，各(ge)子(zi)係(xi)統(tong)及(ji)各(ge)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)直(zhi)接(jie)接(jie)到(dao)以(yi)太(tai)網(wang)上(shang)以(yi)簡(jian)化(hua)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)的(de)技(ji)術(shu)難(nan)度(du)，降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)
，使(shi)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)直(zhi)接(jie)由(you)以(yi)太(tai)網(wang)傳(chuan)輸(shu)
，工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)的(de)概(gai)念(nian)因(yin)此(ci)被(bei)提(ti)出(chu)。
2  以太網與CSMA/CD
   (1)  以太網
   以太網（Ethernet）1975年由美國XEROX公司研製成功
，由於采用無源介質（如雙絞線、同軸電纜等）來傳播信息
，所以以曆史上把傳播電磁波稱為“以太”（Ether）來命名。
   1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯合推出了EthernetV2
，是世界上第一個局域網規範。1983年IEEEE802委員會以DIX EthernetV2為基礎推出了IEEE803

，采用了CSMA/CD介質訪問控製技術。
   802.3是指采用CSMA/CD的網絡，而以太網的標準由DIX EthernetV2定義
，在不嚴格的情況下，可以稱之為802.3局域網，也就是以太網。
   工業以太網就是將商用以太網應用到工業控製係統，兩種網絡並沒有本質的區別，兩者是兼容的。
   (2)  CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監聽多路訪問/衝突檢測）
   CSMA/CD最早是由CSMA改進而來。
   ①  CSMA（載波監聽多路訪問）：一個站要發送信號，首先要監聽總線，以決定介質是否存在其它站發來的信號。
   •  如果介質是空閑的，則可以發送；
   •  如果介質正處於工作狀態
，則等待一段間隔後重試，當聽到介質處於忙狀態，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽信號：非堅持CSMA、1—堅持CSMA、P—堅持CSMA。
   ②  CSMA/CDbudanxiantinghoufa，erqiehaibiantingbianfa
，zongxianshangfashenglechongtu，erqieyidanchongtubeijiancedao
，biantingzhifasonggaizhen

，fangqiziyidezhen。weileshiqitazhanyenengzhidaochanshenglechongtu
，jiantingdaochongtudezhanhaixiangzongxianshangchuanboyigeganraozusaixinhao，tongzhizongxiangezhanchongtuyifasheng
，zheyangtongdaoderongliangbuzhiyinchuansongyisunhuaidezhenerlangfei。suizhewangluofuzaidejiada
，pengzhuangdejihuihuizengjia，wangluoxiaolvmingxianxiajiang。
3  工業以太網的特點
   (1)  技術成熟，使用方便 以太網是美國XEROX公司於1975年推出的
，至今已有30年曆史

，得到全世界眾多廠家的支持，在軍事、工業、民用領域得到了廣泛應用。
   (2)  具有統一的標準
，開放性好 采用統一的IEEE802.3以太網標準CSMA/CD，是IEEE802.3采用的介質訪問控製技術
，可以實現不同廠家之間的產品互聯，是一種開放式標準網絡。
   (3)  通信速率高，傳播速度快 以太網的通信速率目前已經由10M提高到100M、1 000M，甚至10G。
   (4)  可分段地實現遠程訪問
、診斷和維護。
   (5)  支持冗餘連接配置
，數據可達性強 數據有多條通路
，可達目的地。
   (6)  係統容量大，不會因為係統擴大出現不可預料的故障
，有成熟可靠的係統安全體係。
   (7)  投資成本低，包括初期投資、培訓費用及維護費用。
   (8)  線路采用變壓器雙端隔離或光纖

，抗幹擾性強。
4  工業以太網目前存在的問題
   xianchangzongxianshiyongyugongyekongzhibingweifuzaeryoueliehuanjingdegongyexianchangershejide，yinciduixitongdeshishixinghexiangyingshijianyouyangeyaoqiu，duigongdianfangshishiyonghuanjingyouteshuyaoqiu。youyuyitaiwangshiweixinxitongxinershejide，yongyugongyekongzhicunzaiyixiawenti：
   (1)  以太網采用CSMA/CD訪問協議
，這是一種非確定性的網絡，對於實時性要求高的控製係統

，這種不確定性將造成信息不能按要求傳遞。同一網段上受到CSMA/CD媒體訪問控製方式的製約。所謂網段是指連在同一共享式網絡總線上，可以偵聽到對方發出的信息，處於同一衝突碰撞區域（指會發生衝突碰撞的區域）的工作站和服務器連成的網絡區。例如在一個衝突碰撞區域中有一個工作群組（由一台服務器和多台工作站組成），當多台工作站訪問一個服務器時
，由於受CSMA/CDdeyueshu，tongyishikezhiyunxuyigegongzuozhanyufuwuqitongxin，qitagongzuozhanzhinengdengdai。gegongzuozhanzhengqiangtongxinxindao，congershigongzuozhandetongxinchanshengyanshi，erqiezhezhongyanshishijianshibuquedingde，gongzuozhanyuduozhengqiangtongxindengdaishijianyuchang，zhezhongqingkuangbeichengweifuheyuzhongdengdaishijianyuchang。
   若在一個碰撞域中，假設有兩個工作群組
，處於一個碰撞域中，第一個工作群組工作站訪問服務器時，要競爭網絡寬帶（例如100M），另一個工作群組中所有工作站及服務器都處於等待狀態而無法運行。兩個工作群組要分割原有網絡寬帶（100M），一個工作群組工作時，另一個群組必須等待，這樣不僅具有延時
，而且這種延時是不確定的。由於CSMA/CD有you無wu法fa預yu見jian的de延yan時shi，特te別bie在zai重zhong負fu載zai下xia
，實shi時shi數shu據ju傳chuan送song更geng得de不bu到dao保bao證zheng。控kong製zhi係xi統tong要yao有you實shi時shi性xing保bao證zheng，必bi須xu在zai任ren何he時shi間jian都dou要yao及ji時shi響xiang應ying，不bu允yun許xu有you任ren何he不bu確que定ding性xing。因yin此ci以yi太tai網wang用yong於yu控kong製zhi係xi統tong必bi須xu解jie決jue實shi時shi性xing和he不bu確que定ding性xing問wen題ti。
   (2)  以太網在可靠性方麵不如現場總線，現場總線是為工業控製設計的，能適應易燃
、易爆（如化工、製藥）
、幹擾強烈場合及其它環境惡劣的場合。現場總線有屏蔽，接地與防爆等措施，而以太網需要解決這些問題。
   (3)  現場總線規範要求網段上配有電源

，為所有非自供電的設備提供電源，而以太網不提供電源，必須增加額外的供電電纜。
5  工業以太網的應用可行性
   工業以太網用於工業控製，對於上述問題，隨著以太網技術的發展和相應措施的實施，其實時性及可確定性取得很大改善：
   (1)  不斷提高以太網速率：近來年以太網的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps並已廣泛應用。目前10Gbps的以太網已經商業化，數據傳輸時間大大縮短，響應時間得到提高

，係統的實時性及不可確定性得到了改善。
   (2)  采用交換機以太網技術：由(you)於(yu)共(gong)享(xiang)式(shi)以(yi)太(tai)網(wang)工(gong)作(zuo)站(zhan)點(dian)爭(zheng)搶(qiang)信(xin)道(dao)而(er)產(chan)生(sheng)衝(chong)突(tu)碰(peng)撞(zhuang)影(ying)響(xiang)了(le)係(xi)統(tong)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)和(he)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)
，采(cai)用(yong)交(jiao)換(huan)機(ji)以(yi)太(tai)網(wang)技(ji)術(shu)可(ke)使(shi)其(qi)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)。交(jiao)換(huan)型(xing)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)中(zhong)采(cai)用(yong)以(yi)太(tai)網(wang)交(jiao)換(huan)機(ji)，交(jiao)換(huan)機(ji)各(ge)端(duan)口(kou)之(zhi)間(jian)同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)形(xing)成(cheng)多(duo)個(ge)數(shu)據(ju)通(tong)道(dao)
，每(mei)個(ge)端(duan)口(kou)可(ke)連(lian)一(yi)個(ge)網(wang)段(duan)，端(duan)口(kou)之(zhi)間(jian)幀(zhen)的(de)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)不(bu)再(zai)受(shou)CSMA/CD介質訪問控製協議的約束。當係統包括多個工作群組，一般讓每個組群單獨組成一個網段，每個網段占用交換器（機）一個端口（如圖4所示交換機有A、B、C、D四個網段），各網段的工作大部分時間是獨立的，當任意兩個網段需要信息交換時，交換機能在2個獨立網段之間建立信息通道（例如圖4的A、B），一旦信息交換結束
，通道即斷開。

圖4  交換機隔離的網段

   由此看出，交換式以太網可以克服共享式以太網存在的問題：

   •  交換機每個端口上
，可連接一個網段，每個網段可獨享帶寬；
   •  交換機每個端口上，所接網段之間是獨立的、被(bei)隔(ge)離(li)的(de)，如(ru)需(xu)要(yao)網(wang)段(duan)間(jian)進(jin)行(xing)信(xin)息(xi)通(tong)信(xin)的(de)話(hua)
，可(ke)以(yi)暫(zan)建(jian)立(li)信(xin)息(xi)信(xin)道(dao)
，經(jing)過(guo)交(jiao)換(huan)機(ji)的(de)隔(ge)離(li)
，可(ke)大(da)大(da)減(jian)小(xiao)衝(chong)突(tu)發(fa)生(sheng)的(de)概(gai)率(lv)，改(gai)善(shan)實(shi)時(shi)性(xing)和(he)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)；
   •  交換機VLANjishudepubiancaiyong，shijiaohuanxitongnenggoufenpeigeikongzhixinxidianzhuanyoudetongdaohedaikuan，congerbaozhengzaiwangluofanmangdeshihou

，kongzhixitongrengyouzugoukuanyudedaikuan
，shiyitaiwangxinxichuanshudeshishixinghebuquedingxingjibenshangbaochizaililundeshuipingshang。
   (3)  zaimouxieyingyongchangheyunxudeqingkuangxia，jinliangjiangkongzhiwangyuxinxiwangfengekailaishiyong，yibimianshishishujuyufeishishishujudepengzhuang，shigongyekongzhizhandianzhijiandeyitaiwangweiduliwangduan，congergaishanshishixinghebuquedingxing。chucizhiwai
，haikeyicaiyongquanshuanggongjishujiangdiwangluofuzai，yijizaiEthernet+TCP/IP協議的基礎上製訂統一並適用於工業現場控製的應用層技術規範等措施。采取以上措施可以使工業以太網在某些軍事
、工業、民用的領域的現場測控中得到初步應用。例如
，國外不少國家核加速器最新測控方案選擇了以太網，除此之外汽車裝配線、bogangshengchanxiandengjuncaiyonggongyeyitaiwangdefangan，congcekonglingyudefazhanfangxiangshangkan，gongyeyitaiwangjiangshiweilaicekonglingyuzhongdeyigezhongyaofazhanfangxiang，yeshiqiyeguankongyitihuahezhinengjianzhuxitongjichengdeyizhongzuijiafangan。
   (4)  以太網的供電問題，多年來一直是一個缺陷
，特別是隨著IP電話
、IP攝像機、無線AP、ENC（Ethernet Control System）等deng係xi統tong的de應ying用yong，人ren們men更geng提ti出chu以yi太tai網wang在zai傳chuan輸shu數shu據ju的de同tong時shi，傳chuan送song部bu分fen能neng量liang，以yi滿man足zu小xiao型xing網wang絡luo設she備bei用yong電dian的de需xu求qiu，解jie決jue小xiao型xing網wang絡luo設she備bei供gong電dian的de無wu序xu狀zhuang態tai和he居ju高gao不bu下xia的de電dian源yuan布bu線xian成cheng本ben。因yin此ciIEEE 802.3af標準呼之即出
，已形成一個以太網供電的國際標準

，目前3COM
、華為、DLINK等公司都有符合802.3af標準的交換機產品。IEEE 802.3af 標準的核心是在滿足802.3 標準的同時，由交換機向網絡終端設備提供48V或24V電源，至此工業以太網的供電問題得到很好的解決，其原理如圖5所示。

圖5  以太網自供電原理圖

   (5)  以太網是一種網絡形式
，TCP/IP協議是一種開放通信協議。安全問題不屬於網絡形式和TCP/IP協議。網絡的安全性最終關心的是在網絡上傳輸的應用層信息的安全，使它不被非法的修改
、使用。保障信息及傳輸的安全不外乎兩種方式：專(zhuan)有(you)獨(du)立(li)通(tong)道(dao)和(he)信(xin)息(xi)加(jia)密(mi)。前(qian)一(yi)種(zhong)方(fang)式(shi)目(mu)的(de)是(shi)讓(rang)不(bu)該(gai)得(de)到(dao)的(de)得(de)不(bu)到(dao)，後(hou)一(yi)種(zhong)方(fang)式(shi)讓(rang)不(bu)該(gai)得(de)到(dao)的(de)得(de)到(dao)了(le)也(ye)不(bu)知(zhi)道(dao)。以(yi)太(tai)網(wang)的(de)虛(xu)擬(ni)專(zhuan)用(yong)網(wang)交(jiao)換(huan)技(ji)術(shu)現(xian)已(yi)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)最(zui)基(ji)本(ben)的(de)網(wang)絡(luo)專(zhuan)用(yong)通(tong)道(dao)技(ji)術(shu)，已(yi)經(jing)非(fei)常(chang)成(cheng)熟(shu)並(bing)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)。以(yi)太(tai)網(wang)可(ke)以(yi)很(hen)方(fang)便(bian)的(de)將(jiang)需(xu)要(yao)的(de)通(tong)道(dao)隔(ge)離(li)出(chu)來(lai)。Internet的信息加密是TCP/IPzhishangdejibenyuzhiwuguandeyingyongxinxichulifangfa。xinxizaifachuzhiqianyaojinxingjiamichuli，xinxizaishiyongzhihouyaojinxingjiemichuli。xianzaijibenshangdoucaiyonggongkaidejiamisuanfa，mimibukaojiamifangfabaozheng
，ershikaomima（key）。信息安全的最後和最關鍵的因素是持有重要密碼的人，他保管使用密碼的過程、方式是通信係統的安全的核心。
6  工業以太網在智能建築中的應用實例
   (1)  ENC-2001IP工業以太網測控係統簡介
   北京樓宇自動化工程中心（簡稱為北京樓宇自控中心）采用ENC-2001IP工業以太網測控係統對某小區15棟高層住宅的充配電、換熱、采暖
、通風、供水、消防
、三表查收及樓宇對講六個子係統遠程監控
，取得較好效果。
   ENC工業以太網控製係統結構框如圖6所示。
   這些ENC參量控製模塊可以把智能建築各子係統集成到以太網、電梯係統

、火災報警等傳統設備上，帶有RS232或RS485接口
，分別可接到ENCTRS200及ENCTRS400網關轉換模塊集成到以太網上，而IP電話及IP攝像機可以直接集成到以太網上。除此之外還提供CDMA/GRPS無線網關接口，例如係統報警信息即可通過該網關接口直接發送到手機上
，並可通過手機對係統進行控製。

圖6  係統結構框圖

   AI：模擬量輸入模塊（ENC AI）  DI：數字量輸入模塊（ENC DI）
   AO：模擬量輸出模塊（ENC AO）  DO：數字量輸出模塊（ENC DO）
   FI： 脈衝輸入模塊（ENC FI）  FO：脈衝輸出模塊（ENC FO）
   網絡實現數據管理係統：對底層設備的實時數據進行管理。
   WEB服務：完成對整個係統的操作控製。
   本地監控管理站：實際上是本地監控瀏覽器（Broswer）通過瀏覽器
，可對係統監視。
   遠程工作站：實際上是遠程監控瀏覽器（Broswer）在網上通過瀏覽器對係統進行監視
   (2)  ENC參量集成模塊
ENC參量集成模塊由北京樓宇自控中心開發。
   ①  功能
   •  內嵌WEB SEVER，可以通過瀏覽器直接對其進行監控
，配置校準

；
   •  客戶認證功能；
   •  內嵌防火牆功能；
   •  支持SOCKET的通信規程；
   •  完善的TCP/IP協議

；
   •  10/100baset符合IEEE 802.3af 標準的以太網接口。
②  硬件結構：由中央處理器MCU
、以太網網卡

、傳感器、執行器
、I/O接口以及存儲器（電子硬盤），電源組成，如圖7所示。

圖7  ENC網絡參量集成設備硬件結構圖

圖8  係統圖

   ③  係統結構：內嵌WEB SEVER

，可與客戶端（Broswer）進行通信，如圖8所示。
   (3)  ENC係統特點
   ①  實現信息網絡與控製網絡統一
   取消控製網與信息網的界限，控製信息化。所有設備通過ENC參量集成模塊或接口直接集成到以太網上，ENC參量控製模塊都是一個網絡服務器
，內嵌WEB服務器。
   ②  采用網絡控製服務管理方式
   中央控製中心是一套主服務器，控製各參量集成模塊，可集中或分布處理各種數據，通過參量集成模塊完成各種類型控製要求。
   ③  係統結構簡單，組網方便靈活，擴展維護方便
   該(gai)係(xi)統(tong)通(tong)過(guo)以(yi)太(tai)網(wang)進(jin)行(xing)集(ji)成(cheng)
，智(zhi)能(neng)建(jian)築(zhu)中(zhong)局(ju)域(yu)網(wang)是(shi)不(bu)可(ke)缺(que)少(shao)的(de)
，利(li)用(yong)局(ju)域(yu)網(wang)這(zhe)些(xie)模(mo)塊(kuai)可(ke)以(yi)就(jiu)近(jin)插(cha)接(jie)，不(bu)用(yong)重(zhong)新(xin)布(bu)線(xian)，所(suo)需(xu)器(qi)件(jian)均(jun)為(wei)標(biao)準(zhun)化(hua)的(de)，組(zu)網(wang)方(fang)便(bian)靈(ling)活(huo)，擴(kuo)展(zhan)維(wei)護(hu)方(fang)便(bian)。
   ④  將控製係統升級為服務係統
   gaixitongshizhongguanchuanyizhongfuwudelinian，jiangshebeidekongzhishengjiweishebeiduiwaitigongdexinxifuwu。zhezhongfuwudeduixiangkeyiweiren，yekeyiweijiqi。jianzhuzhongyoulezhongduoshebeitigongdeyouxiufuwu，zhinengjianzhujiuchengleyitaozhinengfuwuxitongjihe
，zhezhengshirenmensuoqidaide。
7  結語
   20世紀90niandaiyilai，gongyeyitaiwangqudaikongzhiwangluojinxinglechangshi，youbushaochenggongdeanli。yigongyeyitaiwangweihexindecekongjishushicekonglingyuzhongdeyigezhongyaofazhanfangxiang
，danqishishixing、可靠性、安全性
、互操作性等尚需進一步研究完善。
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