工業以太網與現場總線技術各自都有哪些優缺點？

首先現場總線應用中的問題

1.標準問題

現場總線控制系統在實際應用中還存在一些問題有待解決，其中最突出的問題就是缺少統一的標準。2000年初IEC公布的IEC61158國際標準，產生了H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等８種IEC現場總線國際標準子集。IEC現場總線國際標準制定的結局表明，在相當長的一段時期內，將出現多種現場總線并存的局面，并導致控制網段的系統集成與信息集成面臨困難。

無論是最終用戶還是工程集成商也包括制造商，都在尋求高性能、低成本的解決方案。8種類型的現場總線采用不同的通信協議，要實現這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現場總線都有自己最合適的應用領域，如何在實際中根據應用對象，將不同層次的現場總線組合使用，使系統的各部分都選擇最合適的現場總線，對用戶來說，仍然是比較棘手的問題。

2.系統的集成問題

在實際應用中，一個大的系統很可能采用多種的現場總線，特別是中國那些高速成長的終端用戶，在企業的不同發展階段和國際范圍的跨國制造裝備采購幾乎不可能統一技術前沿的現場總線。如何把企業的工業控制網絡與管理層的數據網絡進行無縫地集成，從而使整個企業實現管控一體化，顯得十分關鍵。現場總線系統在設計網絡布局時，不僅要考慮各現場節點的距離，還要考慮現場節點之間的功能關系、信息在網絡上的流動情況等。由于智能化現場儀表的功能很強，因此許多儀表會有同樣的功能塊，組態時要仔細考慮功能塊的選擇，使網絡上的信息流動最小化。同時通信參數的組態也很重要，要在系統的實時性與網絡效率之間做好平衡。

3.存在技術瓶頸

現場總線在應用中還存在一些技術瓶頸問題，主要表現在以下幾個方面。

（1）當總線電纜斷開時，整個系統有可能癱瘓。用戶希望這時系統的效能可以降低，但不能崩潰，這一點目前許多現場總線不能保證。

（2）本安防爆理論的制約。現有的防爆規定限制總線的長度和總線上負載的數量。這就是限制了現場總線節省電纜優點的發揮。

（3）系統組態參數過分復雜。現場總線的組態參數很多，不容易掌握，但組態參數設定得好壞，對系統性能影響很大。

因此，采用一種統一的現場總線標準對于現場總線技術的發展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統的發展與應用，各大廠商紛紛尋找其他途徑以求解決擴展性和兼容性的問題，業內人士把目光轉移到了在商用局域網中大獲成功的具有結構簡單、成本低廉、易于安裝、傳輸速度高、功耗低、軟硬件資源豐富、兼容性好、靈活性高、易于與Internet集成、支持幾乎所有流行的網絡協議的以太網技術。

以太網與TCP/IP

以太網（Ethernet）最早來源于Xerox公司于1973年建造的網絡系統，是一種總線式局域網，以基帶同軸電纜作為傳輸介質，采用CSMA/CD協議。Xerox公司建造的以太網非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯合起草了以太網標準。1985年，IEEE802委員會吸收以太網為IEEE802.3標準，并對其進行了修改。以太網標準和IEEE802.3標準的主要區別是以太網標準只描述了使用50歐同軸電纜、數據傳輸率為10Mbps的總線局域網，而且以太網標準包括ISO數據鏈路層和物理層的全部內容;而IEEE802.3標準描述了運行在各種介質上的、數據傳輸率從1Mbps～10Mbps的所有采用CSMA/CD協議的局域網，而且IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的數據鏈路層的一個子層（即介質訪問控制MAC子層）和物理層，而數據鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。

該規范規定采用載波偵聽多路訪問/沖突（碰撞）檢測CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect），信號以10Mbps速率在同軸電纜上傳輸。

按照ISO的OSI七層結構，以太網標準只定義了數據鏈路層和物理層，作為一個完整的通信系統。以太網在成為數據鏈路和物理層的協議之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。由于后來國際互連網采用了以太網和TCP/IP協議，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協議組放在一起，稱為以太網技術;TCP/IP的簡單實用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動化領域內，而且在各個企業的管理網絡、監控層網絡也都廣泛使用以太網技術，并開始向現場設備層網絡延伸。如今，TCP/IP協議成為最流行的網際互聯協議，并由單純的TCP/IP協議發展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協議簇。

在TCP協議中，網絡層的核心協議是IP（InternetProtocol），同時還提供ARP（AddressResolutionProtocol）、RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）、ICMP（InternetControlMessagesProtocol）等協議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組發送請求（即組裝IP數據報并發往網絡接口）、處理輸入數據報、轉發數據報或從數據報中抽取分組、處理差錯與控制報文（包括處理路由、流量控制、擁塞控制等）。

傳輸層的功能是提供應用程序間（端到端）的通信服務，它提供用戶數據報協議UDP（UserDatagramProtocol）和傳輸控制協議TCP（TransferControlProtocol）兩個協議。UDP負責提供高效率的服務，用于傳送少量的報文，幾乎不提供可靠性措施，使用UDP的應用程序需自己完成可靠性操作;TCP負責提供高可靠的數據傳送服務，主要用于傳送大量報文，并保證數據傳輸的可靠性。

以太網支持的傳輸介質為粗同軸電纜、細同軸電纜、雙絞線、光纖等，其最大優點是簡單，經濟實用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶歡迎。與現場總線相比，以太網具有以下幾個方面的優點:

（1）兼容性好，有廣泛的技術支持

基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式網絡，適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題，不同廠商的設備很容易互聯，能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的信息無縫集成。以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發，如VB、Java、VC等。采用以太網作為現場總線，可以保證多種開發工具、開發環境供選擇。工業控制網絡采用以太網，就可以避免其發展游離于計算機網絡技術的發展主流之外，從而使工業控制網絡與信息網絡技術互相促進，共同發展，并保證技術上的可持續發展。

（2）易于與Internet連接

以太網支持幾乎所有流行的網絡協議，能夠在任何地方通過Internet對企業進行監控，能便捷地訪問遠程系統，共享/訪問多數據庫。

（3）成本低廉

采用以太網能降低成本，包括技術人員的培訓費用、維護費用及初期投資。由于以太網的應用最為廣泛，因此受到硬件開發與生產廠商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產品供用戶選擇，硬件價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有現場總線的十幾分之一，并且隨著集成電路技術的發展，其價格還會進一步下降。人們對以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。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，在技術升級方面無需單獨的研究投入，從而可以顯著降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發和推廣速度。

（4）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吸引大量的技術投入。并且，在信息瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，保證了以太網技術的持續發展。

（5）通信速率高

目前以太網的通信速率為10M或100M，1000M、10G的快速以太網也開始應用，以太網技術也逐漸成熟，其速率比目前的現場總線快得多，以太網可以滿足對帶寬的更高要求。

4 以太網應用于控制時存在的問題

但是傳統的以太網是一種商用網絡，要應用到工業控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

（1）存在實時性差，不確定性的問題

傳統的以太網采用了CSMA/CD的介質訪問控制機制，各個節點采用BEB（BinaryExponentialBack-off）算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網絡節點要通過競爭來取得信息包的發送權。通信時節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發送后，還需要檢查是否發生碰撞，信息如發生碰撞，需退出重發，因此無法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性，不能滿足工業過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業控制中的應用。

（2）工業可靠性問題

以太網是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮工業現場環境的適應性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機或其他大功率設備產生的影響信道傳輸特性的強電磁噪聲等。以太網如在車間底層應用，必須要解決可靠性的問題。

（3）以太網不提供電源，必須有額外的供電電纜

工業現場控制網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

（4）以太網不是本質安全系統

（5）安全性問題

以太網由于使用了TCP/IP協議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。沒有授權的用戶可能進入網絡的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、數據加密、防火墻等多種安全機制加強網絡的安全管理，但針對工業自動化控制網絡安全問題的解決方案還需要認真研究。

（6）現存的控制網絡與新建以太控制網絡的集成問題

上述這些問題中，實時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網進入工業控制領域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業以太網的解決辦法。