以太网(Ethernet)技术支持着无所不包的网络协议,因此在数据信息网络中得到了广泛应用,拥有传输速度快、能耗低、便于安装兼容性好、开放性高以及对设备多样性的支持等众多优势。随着网络技术的不断发展和工业控制领域对网络功能要求的提高,以太网正逐步进入工业控制领域,形成了新的以太网控制网络技术。工业以太网的开放性使得工业控制网络与企业信息网络之间实现了无缝整合,这在提升生产效率和管理水平方面具有不可估量的优势。
由于以太网能够支撑几乎所有流行的网络协议,它在商业系统中被广泛采用。近年来,以太网逐渐融入到工业自动化系统中,其技能优势显而易见:首先,以太网是一种完全开放、高度数字化的网络,无论是不同厂商还是不同的设备,都能轻松实现互联;其次,以太网能够实现无缝连接,形成企业级管控一体化全开放的综合环境,如图2所示;再者,由于以太网技能成熟且受到厂商高度重视,有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择;此外,以太網通訊速率高,可以满足企业信息系统规划扩大和杂乱程度提高后的需求,对于音频视频数据传输也具备条件,而现今使用10M/100M高速以 太網,并且千兆以 太網技 术正在成熟,其速率远超现场总线。此外,由于时代飞逝,企业生计与发展将依赖快速有效通信管理networks,因此信息技术与通信技术将持续向前发展,从而保证了以 太 網 技 能 的 持 续 发 展。
然而,在带入工业操控领域时,也存在一些挑战,其中最主要的是:1 实时性问题:因为选用CSMA/CD介质访问方式,使得竞争式争夺总线资源,一旦出现冲突可能会影响实时性能,这对于需要严格实时性的操控任务来说是不够用的。这也是目前 industrial control network 中的一大难题;2 对Industrial环境适应能力与可靠性:原设计为办公室使用,不仅抗干扰能力不足,而且外观设计并不符合工厂现场要求;3 应用层协议适应问题:现有应用层协议并不能满足实际操作过程中的需求;4 安全问题: Industrial 以 太 网 在 工 厂 操 控 场 合 需 要 考 虑 到 实 体 安 全 和 网 络 安 全 两 个 方 面的问题;5 QOS(Quality of Service)问题: 随着技能进步,底层信号不仅包括数字信号,还包括Audio及低分辨Video信号,但当前无法根据不同用户需求及内容提供优质服务。
随着技术不断进步,上述挑战已经得到一定程度上的解决。例如近年来推出了快速交换式Ehternet 技术,它通过全双工通讯避免了CSMA/CD导致的问题,并且可以进行优先级设置,从而最大限度地利用带宽并保证最佳实时性能。此外,为了适应不同的工作场景,有专门针对抗干扰设计,以及改善安全措施如加密保护等措施。而QOS问题则通过提高数据处理速度和完善相关标准得到缓解。
尽管如此,与现场总线相比,以 太 网 控 制 系统 在 一些特定场合下仍然有其局限,如汽车操控系统或数控机床等,因其作业条件恶劣、实时性、可靠性要求极高。在未来的趋势看来,将继续存在一种混合型控制系统,即结合既有的现场总线以及新兴之物联网(IIoT)概念,将会成为未来工业自动化的一个重要方向。但至少目前看来,它们还难以完全取代现场总线作为单一标准。在相当长的一段时间内,只要现在已有的现场总线体系仍旧保持运行状态,最可能的情况就是行业上采纳一种“并存”策略,即同时维护并更新这两个类型的地理位置感知基础设施。