1.1 在應用層中的進展

   (1) 封裝

   眾所周知，以太網自身隻提供一係列的物理介質定義和一個共享的構架。構架包括物理介質

、幀格式和LAN設備數據的尋址格式，即它隻提供物理層和數據鏈路層。而Ethernet
、TCP/IP則包含IP協議(層三)、TCP或UDP協議(層四)，當以太網用於信息技術時
，第七層含有HTTP(超級文本傳輸協議)、FTP(文件傳輸協議)、SNMP(簡單網絡管理協議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協議)和Telnet(遠程登錄)等。但當它用於工業控製時
，體現在第七層的是實時通信、用於係統組態的對象以及工程模型的應用協議。對這些不同的概念進行組裝稱為“封裝”(Encapsulation)。TCP/IP支持基於異種操作係統的異種網絡間的互聯
，它是真正的開放係統通信協議，已成為目前國際上進行異種網絡互聯的事實上的標準。

   “封裝”是將報文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開發的Ethernet/IP、FF開發的HSE(高速以太網)

、Schneider Electric開發的Modbus TCP/IP。所有這些協議數據在發送到以太網以前，現場總線報文基本上沒有什麼變化並作為“用戶數據”嵌入到TCP/IP幀內
，很容易向下兼容到基於以上總線的協議。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP
，應用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協議的CIP(Control and Information Protocol，控製和信息協議),CIP通過“隱性”和“顯性”信息提供用於存取數據和控製設備的寬範圍的服務。

   在發送CIP數據包以前必須對其進行封裝
，CIP數據包給定一個報文首部(header)，該首部的內容取決於所請求的服務屬性。通過以太網連接的CIP數據包包括一個專用的以太網首部、一個IP首部
、一個TCP首部和一個封裝首部。封裝首部包含的字段有控製命令

、格式、狀態信息和同步數據等
，這允許CIP數據能通過TCP或UDP傳送並確保在接收方進行解碼。Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協議的Modbus TCP/IP的模塊應用於Quantum PLC。Modbus TCP已成為半導體工業的標準EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP(用戶數據報文協議，一個被認為優於TCP的傳輸協議，其首部比TCP首部短而簡單

，隻需8個字節，而TCP為長度可變的40個字節)的一個最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協議，為IEC61158現場總線國際標準的類型5。另一種解決方案是在現場總線的上層運行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網策略是將TCP/IP報文分割為若幹個小型數據包並封裝在Interbus的參數通道進行傳輸，其總和幀協議仍保持不變。這些被分割的數據包將在接收方重新裝配從而恢複為原來的TCP/IP報(bao)文(wen)。封(feng)裝(zhuang)方(fang)案(an)的(de)缺(que)點(dian)是(shi)協(xie)議(yi)的(de)效(xiao)率(lv)低(di)
，以(yi)太(tai)網(wang)的(de)首(shou)部(bu)比(bi)用(yong)戶(hu)數(shu)據(ju)大(da)得(de)多(duo)，從(cong)而(er)大(da)幅(fu)度(du)地(di)增(zeng)加(jia)開(kai)銷(xiao)，因(yin)此(ci)封(feng)裝(zhuang)方(fang)案(an)隻(zhi)適(shi)用(yong)於(yu)發(fa)送(song)大(da)容(rong)量(liang)的(de)數(shu)據(ju)信(xin)息(xi)。

   (2) 代理服務器

   代理服務器(Proxy)類似於對2個不同通信協議進行轉換的網關(Gate-way)
，但dan其qi功gong能neng要yao比bi後hou者zhe強qiang得de多duo。代dai理li服fu務wu器qi的de主zhu要yao目mu標biao是shi將jiang標biao準zhun現xian場chang總zong線xian網wang絡luo集ji成cheng到dao工gong業ye以yi太tai網wang網wang絡luo，其qi主zhu要yao優you點dian是shi現xian有you的de現xian場chang總zong線xian設she備bei在zai今jin後hou仍reng能neng長chang期qi使shi用yong，從cong而er保bao護hu用yong戶hu的de投tou資zi。支zhi持chi這zhe種zhong觀guan點dian的de是shi由youProfibus國際組織發布的Profinet，它包含兩個概念
，即開放的、麵向對象的運行期(Runtime)概念和獨立於製造商的工程概念。運行期概念基於TCP/IP
、UDP、RPC(運程程序調用)和DCOM，並bing對dui這zhe些xie基ji本ben機ji製zhi進jin行xing加jia強qiang和he優you化hua，因yin而er它ta適shi合he於yu高gao實shi時shi性xing能neng要yao求qiu的de應ying用yong領ling域yu。工gong程cheng概gai念nian包bao括kuo建jian立li工gong程cheng對dui象xiang模mo型xing，它ta不bu僅jin使shi用yong戶hu能neng通tong過guo不bu同tong製zhi造zao商shang的de組zu態tai工gong具ju進jin行xing開kai發fa，還hai可ke以yi采cai用yong分fen麵mian(Facet)的方法定義製造商和應用專用的擴展功能

，因此支持在單個工廠範圍集成不同製造商的產品。

   (3) 實時通信係統   

   IDA(Interface for Distributed Automation，用於分布式自動化的接口)采用美國California公司開發的位於第四層的NDDS實時通信係統，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供寬範圍強有力的應用服務。IDA的另一個重要特性是基於Web的設備管理。所有現場設備均有其本身的Web頁麵，包括組態、操作和診斷參數，用戶可通過標準的瀏覽器進行訪問。基於XML的設備描述簡化了係統的組態，並支持設備的互操作性和互換性。IDA位於工業以太網的第七層

，它還定義從第四層到第七層和應用接口(API)之間的通信

，甚至還包括應用程序的標準編程接口，IDA集團在2001年的德國漢諾威博覽會上公布了其技術規範。

   1.2 嵌入以太網的I/O

   早在1998年，Foxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化係統中的以太網I/O用於德國Bayer AG公司的氯堿分廠
，以太網將所有現場設備
、控製器和PC機工作站集成為一個高可靠
、低成本的實時控製的信息網絡。近年來，一些公司已推出不少以太網I/O產品
，舉例如下:

   (1) Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網     I/O產品
，並不斷擴展和改進其產品，如開發符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網產品和用於管理的SNMP以太網產品;
   (2) National Instruments的Field Point I/O能提供現場設備到以太網的鏈接;
   (3) SixNet提供嵌入以太網芯片的I/O模塊;
   (4) Optimation(Hutsrille, Ala)發布內裝以太網的I/O新產品;
   (5) Automation direct.com和Omron Electric聯合宣布的以太網I/O新產品已麵市;
   (6) GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化產品均支持與以太網的鏈接;
   (7) Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套產品，聲稱是使傳統的自動化控製器能訪問以太網的基礎結構;
   (8) Action公司的子公司Busware公布以太網的E係列I/O模塊
，
   (9) 現在已有嵌入以太網芯片的智能現場總線設備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC係列
，亦能連接到內裝有Web服務器的第三方控製器。通過該控製器，還可遠程存取Altivar 58變頻器的各種數據。

   1.3 網絡就是控製器   

   德國Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近發布的Jetweb自動化係統立意新穎

，它是基於100Mbps以太網的分布式智能控製係統
，宣稱“網絡就是控製器”的觀點。

   其特點是:

   (1) 類似Internet的結構，對數據的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網絡的層次結;
   (2) 對用戶來說
，隻有一組數據和一個程序，所有數據在網絡中隻需表達一次
，程序和數據均可以重複使用，網絡扮演真正服務器的作用;
   (3) 從傳感器到工廠管理層
，隻有一條以太網總線進行直接通信;
   (4) 可連接到Internet，實現整個工廠全球化聯網;
   (5) 以(yi)太(tai)網(wang)既(ji)是(shi)連(lian)接(jie)到(dao)各(ge)種(zhong)智(zhi)能(neng)模(mo)塊(kuai)的(de)係(xi)統(tong)總(zong)線(xian)
，又(you)是(shi)連(lian)接(jie)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)
，內(nei)部(bu)和(he)外(wai)部(bu)的(de)通(tong)信(xin)在(zai)此(ci)沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)區(qu)別(bie)
，集(ji)線(xian)器(qi)技(ji)術(shu)被(bei)集(ji)成(cheng)在(zai)每(mei)個(ge)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)，通(tong)過(guo)分(fen)配(pei)地(di)址(zhi)空(kong)間(jian)將(jiang)內(nei)部(bu)通(tong)信(xin)從(cong)外(wai)部(bu)通(tong)信(xin)中(zhong)分(fen)離(li)出(chu)來(lai)。

   1.4 工業以太網的發展前景

   Siemens Energy & Automation的網絡產品經理Horst Kohlbert說:“嵌入有以太網的現場設備
，以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現實”。這(zhe)個(ge)預(yu)言(yan)提(ti)示(shi)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)即(ji)將(jiang)進(jin)入(ru)現(xian)場(chang)控(kong)製(zhi)級(ji)。但(dan)從(cong)目(mu)前(qian)的(de)趨(qu)勢(shi)來(lai)看(kan)
，已(yi)有(you)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)仍(reng)將(jiang)繼(ji)續(xu)存(cun)在(zai)，不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)退(tui)出(chu)曆(li)史(shi)舞(wu)台(tai)。在(zai)現(xian)場(chang)級(ji)，工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)能(neng)占(zhan)領(ling)一(yi)定(ding)的(de)市(shi)場(chang)，但(dan)它(ta)是(shi)否(fou)能(neng)作(zuo)為(wei)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)通(tong)信(xin)的(de)單(dan)一(yi)標(biao)準(zhun)，一(yi)時(shi)難(nan)作(zuo)定(ding)論(lun)
，最(zui)有(you)可(ke)能(neng)的(de)是(shi)發(fa)展(zhan)一(yi)種(zhong)混(hun)合(he)式(shi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。此(ci)外(wai)

，並(bing)非(fei)每(mei)種(zhong)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)都(dou)將(jiang)被(bei)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)總(zong)線(xian)所(suo)替(ti)代(dai)，如(ru)AS-i、CAN，這兩種現場總線就應用於二位I/O傳感器/執行器而言，無疑是最佳的(AS-i傳輸4位數據，且總線可帶電;CAN最多傳輸8個字節)
，還有一些專用總線
，如SERCOS(用於數控，控製運動軸，為IEC61491國際標準)
、Instabus(用於樓宇)，都有其專門的應用領域，均不適宜於工業以太網。另外，易燃
、易爆(如化工
、製藥)
，以及環境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場合，也不適宜於應用工業以太網。

  1.5工業以太網在我國的發展趨勢

   由於以太網有“一網到底”的(de)美(mei)譽(yu)，即(ji)它(ta)可(ke)以(yi)一(yi)直(zhi)延(yan)伸(shen)到(dao)企(qi)業(ye)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)控(kong)製(zhi)層(ceng)，所(suo)以(yi)被(bei)人(ren)們(men)普(pu)遍(bian)認(ren)為(wei)是(shi)未(wei)來(lai)控(kong)製(zhi)網(wang)絡(luo)的(de)最(zui)佳(jia)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)已(yi)成(cheng)為(wei)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)中(zhong)的(de)主(zhu)流(liu)技(ji)術(shu)。

   目前
，在國際上有多個組織從事工業以太網的標準化工作，2001年9月，我國科技部發布了基於高速以太網技術的現場總線設備，其研究目標是：攻克應用於工業控製現場的高速以太網的關鍵技術
，其中包括解決以太網通信的實時性、可互操作性
、可靠性
、抗幹擾性和本質安全等問題
，同時研究開發相關高速以太網技術的現場設備、網絡化控製係統和係統軟件。

   這幾年來

，我國在攻克以太網實時性、總線供電和遠距離傳輸等一係列難題方麵已經取得了很大的成果。

   但是，以太網用於工業控製目前尚處在研究及解決當中
，主要有以下問題：

   (1) 實時性問題；
   (2) 可靠性問題；
   (3) 安全性問題
；
   (4) 供電問題。

   實時性問題是指傳統以太網由於采用載波偵聽多路訪問/衝突檢測的通訊方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸會產生傳輸延滯。可靠性問題是指以太網若采用UDP協議時，它提供不可靠的無連接數據報傳輸服務，不提供報文到達確認、排序以及流量控製等功能，因此報文可能會丟失、重複以及亂序等。這些問題的解決，使以太網能夠滿足工業控製領域對傳輸延時要求，加快使其步入工業控製領域用於現場控製。