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4.3 工业以太网研究的关键技术
为了解决带宽、可靠性等问题，设计采用新的技术来改造以太网，包括采用交换技术来解决带宽问题，采用新型网络结构来增强网络的可靠性等。
(1) 带宽
考虑采用交换式以太网技术解决网络的带宽问题[4]。
交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接。从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出。交换机主要用来把网络分成不同的冲突域，同时对网络进行扩展。这种网络的性能主要由传输和接收的元件的性能决定。通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个用户提供了独占的点到点链路。这样，在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道，建立了真正意义上的地理位置分散的网络。网络的带宽问题得到了妥善解决。
交换式以太网的交换技术分为存储转发式、直通式和无碎片直通式，如图3所示。在存储转发式交换技术中，引入了高速缓存器作为发送帧的输出缓冲器，端口之间传输速率的差异可以进行缓冲。所以这种方式支持高速端口，可以连接在不同传输速率的介质上。但是这种方式由于需要对帧进行差错校验和其它的一些服务(如协议转换)，所以缓冲器必须把数据帧完整地接受下来，为此产生了时延。直通方式比较快，不作差错校验，直接把帧转发到正确的端口。而无碎片直通式在二者之间作了些权衡。
在网络回路上采用以太网交换机，通过网络微化，增加了每个控制域的吞吐量和带宽。交换式以太网克服了传统以太网的缺点，大大提高了网络性能，使原来的“共享式”带宽变成了“独占式”带宽，较好地解决了带宽问题。
(2) 实时性
网络的实时性问题最为复杂，考虑在网络系统结构中通过QoS机制来解决一部分关键信号的实时性问题。
QoS有各种参数特征，比如流量、时延时间、数据不稳定和丢失率等。主要用来反映工业过程控制中的实时性能。不同的用户有不同的实时性要求，对于实时和非实时应用，其要求是大不一样的。在实时性应用中，单个的数据包必须不超过某个确定延时时间，如果包来得太迟，它就没有应用价值，这种类型典型的应用是工业现场摄像头的影碟数据或者时间关键的控制信号传送等。这种应用中，迟到的包和丢失的包一样都会引起麻烦，而在非实时应用中能够利用延时到达的数据包。
目前，QoS体系有两种标准化的结构，即IEEE定义的802.1p/Q标准和IETF定义的集成服务结构。
IEEE802.1p/Ｑ协议结合排队机理，允许交换机对现场数据进行优先级设置和流向指示。IEEE扩充了MAC帧所带的用户优先字段。这个字段有3个字符宽，可以用来区分8种不同优先级的数据量，因此定义了一种简单的优先级调度方法。单个队列严格按照优先级来操作，最高优先级先发送。802.1p/Ｑ可以在廉价的硬件中实现，它是向网络增加QoS功能的第一步，但是它没有允许控制和管理机制。所以，如果相同优先级的数据流同时发送，那么网络就会过负荷，如果高优先级数据量充满整个网络，那么它会阻碍其它的低优先级数据。
IETF定义了一种不同的方法。集成服务结构建立在OSI三层的协议上，通过探测流量的IP协议的帧头字段来实现。集成服务开发了加权公平排队方法，不但考虑了数据包个数，而且考虑了它们的长度。这种方法把带宽分给了不同的类别通讯量。属于同一个优先级的数据包将被放入同一个队列。至于哪些数据在哪个队列被处理，要由应用和网络之间的信号机制来商议。这种方法保留了队列的空间，如果资源不够的话，用户请求会受到拒绝，重新发出一个低级的QoS请求，或者给用户显示错误的信息。IETF集成服务结构需要路由器区分通过不同数据流的包，用地址和端口号来标记流量，同时采用允许控制，使实现某些服务参数成为可能。
QoS机制保证了工业现场相对较少的时间关键的时延容忍度很低的数据量(比如，控制信号)的实时性。网络的实时性问题，也必须综合其他的一些方法来解决，比如采用虚拟冲突和虚拟局域网的方法来提高网络的实时性。
(3) 可靠性
解决以太网的可靠性问题可以采用冗余环技术。
以太网的冗余环是由Hirschmann首先提出的[6]，在很大程度上解决了以太网的容错问题，提高了以太网的可靠性。
因为以太网协议不支持环形拓扑，所以采用环形拓扑来增加网络的可靠性遇到了这个问题。冗余环技术设计用来解决此问题。
在设计的网络系统结构图中，当网络并未遇到故障时，带冗余管理的以太网交换机会将以太网环路断开，这个时候以太网并未形成一个回路，所以以太网能正常工作。这个时候的带宽达到了200Mbps。同时，以太网的两端都不断发送诊断信号，检查网络中各个设备的状态。假设某2个交换机之间的网络出现了故障，这个时候带冗余管理的交换机检查到网络出现故障，将以太网的两端连接，使得网络得以正常运行。
冗余的管理能够实现很高的网络可用性。交换式高速以太网启用冗余环的反应时间少于300ms，这意味着在一个设备出错后，网络可以在300ms后再次被利用。许多快速的冗余算法为适应冗余环不断出现，即使在需要重新配置网络的时候，这些算法和以太网环布局也能保证继续进行生产操作。
(4) 数据交换
交换以太网是操作OSI的最底下两层的协议，而TCP/IP主要用来操作传输层和网络层的协议。事实上以太网和TCP/IP能够处理不同协议的能力很强，但是也因此引起互操作问题。因此需要一个开放标准的应用层协议。不同厂商的应用层协议都是在小规模范围内存在，不同产品的现场互操作性差。以太网和软件的结合点就是OPC技术
OPC技术是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互，实现控制系统开放的关键技术。OPC以OLE/COM机制为应用程序的通讯标准。采用了客户/服务器模式，硬件接口开发工作由厂家来完成，以服务器形式提供给客户，同时规定了一系列的软件数据交换标准接口和解决了过程控制系统与其数据源的数据交换问题，如图4所示。OPC技术在工业以太网中的出现，大大改进了工业过程控制系统的开放性和互操作性[12]。
考虑到与先期设计的LON总线的数据交换问题，决定在设计的网络结构中采用OPC服务器，LON网络就可以通过OPC服务器而与以太网的其它设备交换数据。
(5) 网络安全
采用网络的工厂，连入互联网均使用TCP/IP，这样就面临互联网类似的安全问题。安全隐患包括:病毒、工业间谍、黑客、软件BUG、恐怖主义等。
黑客的动机包括金钱、信息、恐怖主义、破坏、政治等，工业现场相对较少吸引力，但是也要提高警惕。在图4中，就工业现场而言，其本身具备的专有的PLC操作系统使受到黑客、病毒侵害的机会减少了许多。新的安全技术，如硬件身份识别技术，使得各种工业现场远程访问的安全问题也得到了较好解决。随着生物信息技术的发展，指纹、声音的生物信息将为网络安全带来大的提高。
(6) 现场环境
以太网原来所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中，Ethernet抗干扰性能较差。若用于危险场合，它不具备本安特性，也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能，二者对照如附表。
为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下以太网也能稳定地工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann公司专门开发和生产了导轨式收发器，集线器和交换机系列产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。
美国NETsilicon公司研制的工业Ethernet通信接口芯片，每片价格已降至10美元，与各种现场总线芯片相比，具有很大的价格优势。现在的工业Ethernet现场总线采用一种称作连接装置，类似带开关的集线器结构，很好地解决了Ethernet的时间确定性问题。所以，采用专用于工业现场的以太网设备能够解决因现场环境恶劣而带来的问题。
(7) 技术支持
由于采用了与商用Ethernet相同的技术，因此能获得广大的支持网络和资源。
为了促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了国际工业Ethernet协会Industrial Ethernet Association和IAONA(www.iaona.com)并与美国AMR研究中心和Gartner等机构合作，开展工业Ethernet关键技术的研究。美国电气工程师协会正着手制定现场装置与Ethernet通信的新标准，该标准让网络直接看到对象,这些工作为Ethernet进入工业自动化的现场级打下了基础。为适应市场趋势，全球主要自动化厂商和组织加强了工业Ethernet实现:法国施奈德公司4年前推出透明工厂战略就使其成为工业Ethernet应用的坚决倡导者，Modbus TCP/IP是目前工业Ethernet事实的标准，并促进Ethernet在传感器和设备级的应用。德国西门子公司1998年发布工业Ethernet白皮书，于2001年发布其工业Ethernet的规范，称为ProfiNET。美国洛克威尔自动化公司2000年发布工业Ethernet规范，称为Ethernet/IP。基金会现场总线FF于2000年，发布工业Ethernet规范，称为HSE。
以太网已经应用了这么多年，以太网技术相比其他各种总线而言能够提供更加完善的技术支持与服务。
4.4 改进的工业以太网系统结构
针对以太网应用于工业现场存在的可靠性、数据交换等问题，基于以上技术考虑，提出的基于工业以太网的新型企业网络系统结构如图5所示。
整个系统基于冗余环技术来构架。环形的网络拓扑结构能够增强网络的可靠性，但是就以太网协议本身而言，是不支持环形拓扑的，解决这个问题采用冗余环技术。工业以太网控制器之间、或者其他设备之间通讯都通过了以太网交换机，这样解决了带宽问题，一定程度上也解决了由共享式以太网带来的碰撞问题。为了增加系统的扩展性，数据交换能力，采用了OPC服务器，这样解决了与LON总线数据源的数据交换问题。
业的网络分成三级:设备层，控制层，信息层。从图5中可以看到，从设备层到控制层，再到信息层，都采用以太网，真正实现了企业办公自动化(OA)网络和工业自动化(IA)网络的无缝连接，有利于企业的信息集成。
图5中的工业以太网控制器是控制的核心，控制器的CPU采用了Motolora的MCF5272微处理器，操作系统采用嵌入式的uCLinux，具备以太网通讯功能。与图2所示的网络结构相比，图5是改进后的工业以太网系统结构,充分考虑了现场环境的要求，增强了网络的可靠性，对部分关键信号也作了实时性保障，解决了由共享式以太网带来的数据碰撞问题，并考虑了采用OPC技术解决与先期开发的LON总线系统的数据交换问题，整个网络系统结构的实现具有很高的可行性。
5 嵌入式工业以太网
随着嵌入式技术的发展，嵌入式技术带来的控制器微型化、多任务化使控制器有望摆脱计算机而独立完成控制，嵌入式的工业以太网成为了工业以太网应用研究热点领域。国内开展这项研究较早的浙江大学，中科院沈阳自动化所，浙大中控等单位在国家“863”课题的支持下，起草了“用于工业测量和控制系统的EPA系统结构和通信标准”，并力图在化工领域建成几个示范性应用项目[15]。广东工业大学联合中南大学，中科院自动化所开展了嵌入式工业以太网的研究，并进行了“基于uClinux嵌入式系统的工业以太网控制器开发”，致力于发挥嵌入式系统在工控领域的优势[13-14]。
5.1 应用背景
压力、温度、水位和流量是化工、污水处理以及钢铁等行业中最常用的控制系统，为了研究在各种行业、不同工艺流程下的通用网络控制系统，所以本文中将不强调工艺流程。而应用试验的对象也将使用中南大学率先研发的模拟工业现场的被控对象，本文将对最常用的压力、温度、水位和流量四个控制系统进行全面仿真工业现场的试验。
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