现今的自动化设备都必须能够使用以太网进行连接。真正的问题是：到底是通过Internet协议直接连接，还是通过已有的工业网络间接连接。以太网本身不能够保证两台设备可以进行通讯。需要应用层互相兼容才可以。

当几十年前以太网出现的时候，它被认为不能够用于工业自动化网络。但其在自动化领域的应用却越来越多，设备级网络中以太网兼容产品的使用也越来越广泛。以太网正在迅速成为一种通用的网络系统接口。以太网常用于IT部门以及办公室环境之中，可以说是无处不在。它易于安装和维护，价格也要便宜的多，并且很容易获得。

在工业网络的应用场合下，以太网的一大优势是它能使整个企业——从生产车间到会议室——通过一个网络形成一套统一的标准，使得在世界上任何一个角落都能获得所需的数据。在过去的十年间，这项优势已经促使以太网标准有了很多的改进，尤其是在决策、速度和优先级方面。可以说已经没有任何理由阻碍以太网成为构建确定、开放和廉价的自动化网络的解决方案。

传统的工业自动化设备生产商明显都是以太网的拥护者。例如，Rockwell自动化、西门子以及其他一些企业宣称他们百分之七十到八十的自动化产品都是应用于以太网之上的。

速度不再是问题了
现在以太网通过屏蔽或者未屏蔽的双绞线、同轴电缆和防电磁干扰的光缆进行连接。在甚至是传统线缆上的传输速度都已经从10Mbps增加至100Mbps。在10Mbps与100Mbps之间进行数据交换的自动交换机已经十分常见，它优化了网络速度与服务，并允许一个网络中同时出现在10Mbps与100Mbps速度下工作的设备。更高的传输速度降低了出现数据冲突与数据丢失的可能性，延迟不再是问题了。对于大多数自动化工厂的应用场合来说，100Mbps的以太网已经足够用了。

今天1Gbps的传输速度已经可以实现，距离10Gbps也不太遥远了。千兆比特级别的以太网主要用于企业内的主干网络，并且正逐步出现在过程控制工业的分布式控制系统(DCS)主干网络中。这使系统扩展变得十分容易——当用户想要获得更快的传输速度时，他们只需购买一个更贵一些的交换机就可以了。

无论速度如何，以太网络的基本属性都是：随着数据的装载，平均传输速度呈现非线性的下降。

另外一个关于标准以太网的基本问题是：如何处理冗余。在商界中已经出现了许多专有的解决方案，但它们是否能够完全解决工业的问题还取决于具体的应用场合。一种扩展标准可能使我们不再需要那些专有的方案了，它就是IEEE 802.12。这种标准使网络具备了当网路中的任何位置出现链路或者中继器故障时在网络中增加冗余链路促进网络连接的主动恢复的能力。毋庸置疑，它还考虑到了各种最严格的要求，比如安全系统。

确定的非确定性系统
当以太网在上世纪八十年代中期出现的时候，采用了IEEE 802.3标准，据说它并不适用于自动化系统，因为它是（直到现在也仍然是）“非确定性的”。由于转发数据的冲突与延迟，设备响应时间无法得到保证。数据吞吐量非常低，而且网络容易受到电磁干扰。

以太网的“非确定性”已经通过先进的交换技术被大幅减弱，这种交换技术允许多个设备通过多个网络回路同时发送和接受数据。以太网交换机与以太网集线器不同，后者将网络内的所有端口桥接至一个公共的连接池之中，而前者允许用户将网络分割成多个虚拟局域网(LAN)。这些虚拟局域网将网络设备分为多个逻辑工作组，从而有助于本地数据通信在本地完成。以太网交换机通常也有一个快速的内部主干网络，它有助于消除数据包之间的冲突，从而防止了丢失数据包。快速以太网交换机可以快速交换网路，因此能够对于诸如错误通信、电源故障和设备故障等异常情况进行迅速反应。

随着互联网技术的革命性发展，交换机（或者网桥）的价格已经大幅下降，使用它们将网络分割成多个冲突域之后，交换机上的每个端口都处于自己的冲突域之内，从而连接在交换机上的设备之间出现冲突的情况不会再发生了。

在交换机上添加一些智能技术——也就是软件或者固件——可以改进服务的质量并且可以加入队列管理功能。通过为那些对时间比较敏感的数据分配较高的优先级，智能以太网交换机可以在具有较低优先级的数据之前优先处理这些数据。这样可以保证在网络变得拥挤的情况下，具有高优先级的数据通信不受影响。交换机还具有分级、重新分级、网络警察、标记等功能，如果优先级应用场合需要的话甚至还可以丢弃传入的数据包。

协议
直到最近，可编程序控制器(PLC)与从站或者I/O（输入/输出）设备进行通信时使用几种开放的或者是专有的协议，包括Modbus、Profibus、ControlNet/DeviceNet、Foundation Fieldbus以及CANopen。由于使用的越来越广泛，人们对于采用以太网作为链路层协议，采用上面所提到的几种协议之中的一种作为应用层协议也有着越来越浓厚的兴趣。

TCP/IP协议是一种几乎到处都在使用的以太网协议，它使网络和传输层能够解决开放系统互联（OSI）模型中的路由以及端到端数据完整性问题。TCP/IP协议包含和支持一些众所周知的Internet协议，比如FTP、SMTP以及HTTP等。

不同的控制设备生产商会使用上述的一种或多种协议，尽管他们自己的产品并不能提供过程控制领域内需要的所有功能。应用层协议为网络中将要执行的任务或命令进行了定义。这一部分正是不同控制网络之间的共同之处。在没有预先定义的控制网络标准的情况下，不同生产商将应用层协议捆绑在TCP协议上以完成相应的过程控制任务。

现今在以太网IP协议上已经取得的进步是基于DeviceNet/ControlNet控制和信息协议(CIP)上的，它允许在生产过程中连续的访问可编程序控制器而不需要设备生产商提供特定的软件。再向前发展的话，这种连续的访问将被应用于实际的生产设备和过程控制环境中。

几家现场总线生产商最近已经越来越多的认识到了以太网的优势，这种优势主要体现在物理层上，尤其是带宽，已经可以高于100MB/S，而大多数其它现场总线只能达到12MB/S。

工厂自动化和嵌入式设备控制方面的真正挑战并不在于选择一种网络技术，而在于选择几种技术以最好的满足特定应用场合下的不同需要。如果需要改变了，将投资开发的应用软件进行再利用似乎是个好主意。为了做到这一点，需要一个公共的数据模型，以完成应用软件从一种网络平台到另一种网络平台的转化。

任何需要在不同的专有设备之间完成上述“映射”的人都会欢迎基金会现场总线高速以太网标准(Foundation Fieldbus HSE standard)的出现。将不同系统中的信号与状态进行相互对应的工作十分单调乏味、费时、容易出现错误，并且对检验、故障排除、维护等工作造成挑战。而现在有了H1，它是基于高速以太网过程控制网络上的技术，其优点在于参数传递、信号状态、工程单位以及警报设置都是统一的，并且与具体的设备生产商无关。

H1是一项设备级别的总线技术，它会为诸如变送器、分析仪、控制阀定位器和信号调节器等现场仪器仪表的使用提供很大帮助。然而，H1技术并不适用于远程输入/输出(RIO)级别和控制级别的网络，因此，它无法应用于如变频器(VSD)、电机控制中心（MCC）、远程输入/输出(RIO)子系统和流量计算机等产品中。在这种情况下，往往需要加入另一种总线技术，比如DeviceNet或者Profibus DP，以满足变频器(VSD)和远程输入/输出(RIO)的需要，例如满足大量离散输入/输出的需要。混合的总线技术对于大多数的控制系统来说是可行的。但是，比起只支持一种来说，要支持几种总线技术往往会更加复杂。

IP协议的发展
Internet的发展与Internet协议(IP)的采用已经巩固了IP作为全球各级企业网络核心的地位——对于Internet与Intranet都是如此。IP技术与其背后的市场推动力已经使其在适应与利用新出现的网络与通讯技术方面显示出了极强的能力。Internet就是IP网络可扩展性的坚实证据，这是一个与现在进行的讨论相关的问题。安全解决方案也在不断涌现，可以满足多种需要——加密、认证、数字签名等等。

TCP/IP可以应用于大多数的计算机平台并且现在已经嵌入到了Microsoft（微软）公司的Windows操作系统的每一个副本中。几乎所有的操作系统——计算机与嵌入式系统(RTOS)——都支持TCP/IP协议。

使用以太网的一个主要好处在于，通过TCP/IP协议，它可以成为两类网的主要网络，即Intranet——工厂内部的商业网络与Internet——工厂之间的连接网络。有一点是几乎可以确定的——对于一种控制设备来说，它必须能够与以太网相连接。我们要回答的真正问题是：这种设备是直接成为以太网的一个节点，还是间接的，也就是通过一种已有的设备网络接入以太网。

基本问题是TCP/IP协议本身并不能保证两个设备能够相互通讯。这就需要应用层具有兼容性。在商业领域里，为满足文件传输(FTP)、终端仿真(Telnet)、电子邮件(SMTP)等功能的公共服务项目已经建立起来。而在工业领域，我们也需要一个类似的状况。

让我们想象这样一种情况：几台设备都连接到以太网，但由于应用层不兼容，它们之间无法进行通讯。只有完全认识到TCP/IP本身无法保证两台设备实现通讯这一点的用户，才能在业内形成压力，以使像IEEE 1451那样的解决方案可以出现，从而带来前面已经叙述过的那些好处。

在中期之内，现有的那些已经完全确立的、流行的现场总线也不会消失。因此我们将会面临一个混合的局面：以太网的节点可以采用直接输入/输出连接，也可以通过一种现场总线连接。但是对于可以代表所有设备类型的可编程与固定功能这两类设备来说，连接方式必须是一致的。

有一点是毫无疑问的：以太网将会在工业网络中继续扮演十分重要的角色。由于流行的现场总线技术已经完全确立，发展混合型系统会是明智的选择。但无疑越来越多的公司会采取直接连接的输入/输出作为工业以太网的解决方案。

(工控在线www.online-ipc.com)