一、以太網的*性
　　
　　現場總線控制系統（FCS）由于其*的開放性、分散性和*互可操作性等特點，正成為未來新型工業控制系統的發展方向之一。然而就目前情況來看，現場總線技術的發展存在的zui主要問題是沒有一個統一的標準。由于支持總線的集團間利益沖突等原因，不同現場總線產品間的互聯非常困難。這不但使FCS的開放性、分散性和可互操作性等特點難以體現，給用戶的使用帶來了很大不便，也給現場總線技術的推廣及現場總線控制系統的應用帶來不利影響。
　　
　　與此形成鮮明對比的是，以太網（Ethernet）技術在沒有任何標準化組織支持的情況下卻發展得非常迅速。以太網由于其開放性好，應用廣泛以及價格低廉等特點，不但壟斷了商業領域的網絡市場，而且在工業控制領域（主要是在企業管理層）也得到了大規模的應用。目前許多大公司的工業控制系統都是采用以太網來統一管理層通信，而且各種現場總線也大多開發出以太網接口，因此可以說以太網己經成為工業控制領域的主要通信標準。這主要是因為以太網具有以下優點:
　　
　　（1）應用廣泛。以太網是目前應用的計算機網絡技術，受到廣泛的。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發，如Java、VC++、VB等。這些編程語言使用廣泛，具有很好的發展前景。因此，若用以太網作為現場總線，有多種開發工具、開發環境可供選擇。
　　
　　（2）成本低廉。由于以太網應用的廣泛性，得到了硬件開發與生產商的高度重視與廣泛支持。已有多種硬件產品可供用戶選擇，且價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有Profibus、FF等現場總線網卡的1/10，而且隨著集成電路技術的發展，其價格還會進一步下降。
　　
　　（3）通信速率高。目前通信速率為l0Mb/s,100Mb/s的快速以太網已經廣泛應用，1000Mb/s以太網技術也逐漸成熟，10Gb/s以太網亦己推出。其速率可以滿足對帶寬的更高要求。
　　
　　（4）軟硬件資源豐富。由于以太網已應用多年，大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發和培訓費用，從而可以降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發和推廣速度。
　　
　　（5）可持續發展潛力大。由于以太網的廣泛應用，使它的發展一直受到廣泛的重視和大量的技術投入，由此也保證了以太網技術不斷地持續向前發展。
　　
　　因此，如果工業控制領域以太網作為現場設備之間的通信網絡平臺，可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術發展的主流技術之外，從而使現場總線技術和一般網絡技術互相促進，共同發展，并保證技術上的可持續發展，在技術升級方面無需單獨的研究投入，這一點是任何現場總線技術所*的。同時機器人技術、智能技術的發展都要求通信網絡有更高的帶寬、更好的性能，通信協議有更高的靈活性，這些以太網都能很好的滿足。
　　
　　二、基于工業以太網的電廠綜合自動化系統體系結構
　　
　　現場總線本質上是一種控制網絡，但與Internet、Intranet等類型的信息網絡不同，控制網絡直接面向生產過程，對實時性、可靠性、安全性和數據完整性有很高的要求。為適應這種需要，現場總線標準儀表僅使用ISO/OSI7層模型中的3層:物理層、數據鏈路層和應用層。為使現場總線標準既是一種通信標準，又為一種系統標準，使FCS成為可操作系統，H1總線中增加了一個用戶層，用戶層為現場設備內部信息的存取及如何將信息傳送給網內同一節點或不同節點作了定義。
　　
　　IEC61158標準中的8種現場總線采用*不同的通信協議，H1采用鏈路活動調節器方式和發布/預訂接收通信模式;ControlNet使用并行時間域多路存取（CTDMA）方式和生產者/客戶通信模式;Profibus是令牌環和主站/從站方式;P-Net采用虛擬令牌傳遞方式;HSE采用CSMA/CD方式，SwiftNet采用槽路時間片多路存取（STDMA）萬式;WorldFIP使用總線裁決方式;Internet則采用整體幀協議方式。因此，要實現這些總線的集成，存在較大困難。
　　
　　綜合考慮企業范圍內各種需求，結合IEC61158中幾種典型現場總線標準的特點，基于以太網的電廠綜合自動化系統結構可分為3層，從低到高分別為現場控制層、監控層和企業管理層，見圖1。　　
　　（1）現場控制層由現場設備和控制網段組成。現場設備以網絡節點的形式掛接在現場總線網絡上，由帶有功能塊的現場總線設備完成對生產過程的控制。低速總線H1支持點對點連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓撲結構，而高速總線HSE僅支持拓撲結構。H1和HSE總線用戶層包括大量的功能塊，可通過聯結分布在各個現場設備中的功能塊來實現控制系統結構設計。HSE和IEC61158中的其他幾種總線，在底層主要表現為裝置級總線，要達到多種總線標準共存，可在不同網絡協議的現場總線之間加入協議轉換器（網關），識別并理解不同格式的數據包，并在不同的網絡之間轉發。
　　
　　（2）監控層由高速以太網（HSE總線）以及連接在總線上的擔任監控任務的工作站或顯示操作站組成。現場控制層通過現場總線接口與監控層相連，監控站可以完成對控制系統的組態設計和下裝，執行對控制系統的監視、操作、趨勢分析、報警、維護及各種人機交互功能。監控層除了上述功能之外，還為實現*控制和過程操作優化提供支撐環境。
　　
　　（3）企業管理層由各種服務器和客戶機組成，其主要目的是在分布式網絡環境下，集成企業的各種信息，實現與Internet的連接，完成管理、決策和商務應用的各種功能。首先要將監控層實時數據庫中的信息轉入上層的關系數據庫中，這樣管理層用戶就能隨時查詢網絡運行狀態以及現場設備的工況，對生產過程進行實時的遠程監控。賦予一定的權限后，還可以在線修改各種設備參數和運行參數，從而在企業范圍內實現底層測控信息的實時傳遞。另外，也可以通過租用DDN專線或利用公眾數據網，實現在廣域網范圍內的遠程監控。
　　
　　在整個基于以太網總線的企業綜合自動化系統中，現場控制層是整個系統的基礎，只有確保該層安全、可靠地運行，上層網絡才能獲得信息，實現其監控功能。由于現場控制網絡的確定性要求較高（一般要求網絡的時間延遲小于2～4ms），至今也沒有一種底層總線在這方面更占優勢，這也是總線標準難以統一，且現場總線方面的研究主要停留在底層的重要原因。從企業綜合自動化系統的完整性角度看，現場控制層與監控層、企業管理層之間的數據傳輸與交互問題，即實現控制網絡與信息網絡的緊密集成問題也應是研究的重要課題。
　　
　　三、系統集成技術
　　
　　目前，企業的綜合自動化系統中各種通信協議并存，為企業隨時了解生產情況，實現遠程監控、診斷和維護，進而進行優化控制和調度決策帶來較大困難，以下依據本文提出的綜合自動化體系結構，描述了幾種較為有效的系統集成方式。
　　
　　3.1硬件集成方式
　　
　　在底層網段與控制層之間加入中繼器、網橋、網關等專門的硬件設備，使控制網絡作為信息網絡的擴展與之緊密集成。在現場總線的各種標準中，對一條總線段上容許掛接的通信節點有嚴格的規定。同種類型的總線，可采用中繼器實現網段的延伸和網絡節點數的增加，采用網橋實現不同速率網段之間的連接。不同類型的現場總線網段之間可采用網關實現互連。大多數現場總線標準都設計了專門的協議轉換器（網關）完成低速總線網段與高速總線網段的連接，在同一控制器母板上連接多個網關，將不同類型現場總線網段與以太網相連，組成異構綜合網絡，是常見的多種現場總線集成形式。網關集成方式功能較強，但實時性較差。信息網絡一般是采用TCP/IP的以太網，當現場設備有大量信息上傳或監控操作頻繁時，轉換接口都將成為實時通信的瓶頸。
　　
　　為滿足工業控制網絡的QoS耍求，目前越來越多的共享介質段通過Switch連在一起，形成一個交換式的以太網。交換機采用虛連接工作方式提供大容量的動態交換帶寬，克服了傳統以太網中由于傳輸鏈路共享所造成的信道沖突，因此用它來代替傳統的集線器、網關和路由器后可使有實時要求的站點的通信在保證zui大延滯條件下通過交換機透明地轉發（見圖2）。　　
　　圖2所示的具有交換能力的以太網結構可以保證每次的數據傳輸時間的確定性。但是一般情況下，交換機只對所有數據包做平等處理，包的轉發僅按照隊列結合考慮FIFO規則處理，沒有優先級機制。為了改善數據流的可控性，可以引入把用戶需求與多個虛擬隊列結合考慮的優先級機制，以保證QoS要求。問題的核心是如何設計能滿足工業控制特點的調度機制和隊列。
　　
　　在圖2所示結構中，每次轉發的數據包必須經過兩個或者更多的等待隊列處理，等待隊列對應于一個優先級相同的數據包或稱相同的流量類型（TrafficClass，指在同一網絡中具有相同QoS的數據流集合），與等待隊列相關聯的必須有一個合理的調度過程。目前兩個國家組織分別提出了兩種不同的調度算法。
　　
　　IEEE制定了一個稱作"簡單優先級調度"的方法，它在MAC層的數據包上加一個3bit寬的"用戶優先級域"，可標識8種不同的TrafficClasses，然后嚴格按照優先級的高低安排等待隊列。IEIF則在其提出的集成服務（integratedservice）架構中設計了稱作"平衡隊列（weightedfairqueuing）"算法。其核心思想是綜合考慮用戶需求、數據包的長度、數量等對等待隊列賦予可變優先級。兩種方法各有千秋，在現階段IEEF方案可以較容易地應用于工業控制網絡交換機的設計。IEIF方案將主要用于辦公自動化和上層的路由網絡中。
　　
　　硬件設備也可以是一臺專門的計算機，計算機通過運行軟件完成數據包的識別、解釋和轉換;對于多網段的應用，它還可以在不同網段之間存貯轉發數據包，起到網橋的作用。
　　
　　3.2軟件集成方式
　　
　　（1）動態數據交換（DDE）。當控制網絡和信息網絡之間具有中間系統或共享存貯器工作站時，可以采用DDE方式進行二者的集成，其實質是各應用程序通過共享內存來交換信息。監控計算機是控制網絡的工作站，也是信息網絡的工作站。其中運行兩個程序:一個是通信程序，用來接收實時信息，為信息網絡數據庫提供實時數據;另一個數據庫訪問應用程序接口，它接收DDE服務器實時數據并寫入數據庫服務器中，供信息網絡使用。
　　
　　DDE方式實時性較強、易實現，可以直接使用標準的Windows技術。但涉及到復雜的協議轉換時，這種方式的軟件開銷較大。因此這種集成方式適用于簡單的小型系統。
　　
　　（2）過程控制對象的鏈接與嵌入（OPC）。OPC技術是實現控制網絡數據庫集成的有效工具，只要每個應用程序都給其它應用提供一個標準OPC接口，可以靈活而有效地應用和現場設備之間讀寫數據。通過在監控工作站中為每種現場總線網段編寫OPC服務器軟件，由OPC服務器為計算機的應用程序提供一致的訪問接口，分別讀寫不同總線段的OPC服務器，可以實現不同總線設備之間的數據交換與集成。
　　
　　（3）開發式數據庫互連（ODBC）。實時數據庫與關系數據庫是企業信息集成的重要支撐，也是實現數據交換與共享的有效工具。由于ODBC技術可作為連接數據庫的統一界面標準，通過它能較容易地創建與各種數據庫進行交互的程序。因此,ODBC可作為系統集成的又一種有效工具。特別是動態服務器網頁（ASP）技術和ActiveX技術的出現，使得在服務器執行程序變得更加方便。目前，Java在網絡中的廣泛應用使得采用JDBC/ODBC方式訪問數據庫非常容易。
　　
　　3.3統一的網絡協議標準
　　
　　以太網本身僅定義了物理介質、數據幀格式和LAN內設備的數據包的傳輸尋址方案，它相應于OSI模型的zui低兩層。在其上的網絡層和傳輸層可使用TCP/IP協議，讓應用層信息在兩個設備之間傳輸，但不能保證其有效的通信。采用以太網+TCP/IP的設備廠商都有各自的應用層定義，這意味著如連到同一廠房的以太網中的設備可以物理共存，但不能實現有效的互操作，也不能保證實時控制的要求。為此要在應用層給出一個類似FTP或HTTP協議的應用層規范，使類型迥異的各種設備能夠擁有統一的"定義"。兩大組織IEA（IndustrialEthernetAssociation）和ODVA（OpenDeviceNetVenderAssociation）提出并定義了一個"以太網工業協議"Ethernet/IP，它是建立在802.3協議之上的、支持TCP/IP和CIP（Control&InformationProtocol）的架構體系。其結構見表1。　　
　　CIP本身是由DeviceNet和ControlNet提出并定義的應用層協議，是專為工業控制設計的基于對象的一種方法（體系結構、數據類型、服務等），提供了訪問數據和控制設備操作的服務集和對象庫。對象庫描述了不同廠商的設備定義、標識等，使類型差別很大的設備可以直接連入網絡且被整個系統"看到"，實現即插即用。
　　
　　由此看出，Ethernet/IP使工業以太網更容易地與工廠底層充當主角的各種現場總線子系統FCS集成和并存。同時Ethernet/IP還定義了顯式（explicit）和隱式（implicit）兩種報文。前者用于對時間無嚴格要求的點對點組態信息，報文的數據段載有協議信息及其服務的性能說明，要求各個接點必須解析每個報文，執行響應的任務，其報文的長短、出現頻率有很大的變化。顯式報文是由TCP協議完成的。對實時性要求很高的信息，則使用隱式報文由UDP（用戶數據報）+IP來傳輸。因其傳輸幀中不含協議信息，只有數據，故報文較短，運行時節點的處理時間大大縮短，在交換以太網的支持下具有實時性的保證。
　　
　　Ethernet/IP將從應用層來的CIP報文壓縮，封裝成TCP或UDP的幀格式，然后通過具有Switch結構的Ethernet發送，在接受點拆包后還原為CIP報文，交給使用者。ODVA還提供免費的設備對象庫的開發工具包和樣例，供廠家開發自己的設備對象描述。
　　
　　3.4標準功能塊方式
　　
　　為實現不同制造商產品的混合組態與調用，部分現場總線標準使用標準功能塊技術實現設備間的互操作，進而實現系統應用集成。標準化功能塊提供一個通用的結構，把實現控制系統所需的各種功能劃分為功能模塊，如AI、AO、PID等，使其公共特征標準化，規定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數與塊控制圖，并把它們組成可在某種現場設備中執行的應用進程。功能塊的通用結構是實現開放系統構架的基礎，也是實現各種網絡功能與自動化功能的基礎。在Hl和HSE標準中，規定了32種標準功能塊，但每種功能塊只對功能塊的外特性進行統一，而功能塊內部的算法是由設計的，為保留了發揮自己產品特色或優勢的空間。
　　
　　四、結語
　　
　　電廠綜合自動化的基礎是網絡，要實現控制網絡與信息網絡標準的統一，還有許多具體問題有待解決。在多種標準共存情況下，工業以太網為溝通生產過程數據流和信息網絡流起到了橋梁作用，探討基于工業以太網的網絡體系結構，深入研究通信系統與控制系統的集成，如網絡通信系統組態、網絡拓撲、配線、網絡系統管理、控制系統組態、人機接口、系統管理維護等，是一項集控制、通信、計算機、網絡多方面知識，集成軟件于一體的綜合性技術，對系統設計單位、系統集成商及工廠企業部具有重要意義。