郭維鈞  方甲松

1  工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生的背景

    (1)  統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)成為泡影，誘惑依然

    1984年美國(guó)著手制定現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，若干年以來(lái)，世界各大公司為了商業(yè)的利益，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)始終不能統(tǒng)一。通過(guò)多次投票、協(xié)商，2000年1月宣布的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158將八種總線（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時(shí)列為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（目前已達(dá)10種），形成一個(gè)妥協(xié)的結(jié)果。

    同時(shí)，國(guó)外各大公司又推出了自己的標(biāo)準(zhǔn)，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法國(guó)Schneider等，目前多種總線的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)存在的局面依然存在，人們所說(shuō)的開(kāi)放性和互操作性只能在同一種總線標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)，不同標(biāo)準(zhǔn)總線之間仍然受到限制。不同總線之間的互聯(lián)性得不到保證，因此人們?cè)谂で笠环N統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，有人提出了采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。

    (2)  系統(tǒng)集成的需求

    ①  工業(yè)自動(dòng)化的管控一體化 企業(yè)信息化是我國(guó)的國(guó)策，以制造自動(dòng)化及信息化為例：在需要改變業(yè)務(wù)流程度的同時(shí)，將管理信息系統(tǒng)與電子商務(wù)、分散的網(wǎng)絡(luò)化制造加以集成，把現(xiàn)有的企業(yè)資源ERP改造成為基于WEB的應(yīng)用系統(tǒng)。目前工業(yè)自動(dòng)化已從單機(jī)自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化，向系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展，底層的信息要集成到上層的信息網(wǎng)上以實(shí)現(xiàn)管控一體化的集成系統(tǒng)。以現(xiàn)代制造業(yè)為例，其現(xiàn)代制造自動(dòng)化模型如圖1所示。

圖1  現(xiàn)代制造自動(dòng)化模型

    現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)為一個(gè)多層的工業(yè)控制系統(tǒng)，一般分為三層：

•  設(shè)備層 聯(lián)接檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

•  控制層 從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備取得數(shù)據(jù)，完成各種控制，監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)，報(bào)警和歷史趨勢(shì)分析等；

•  信息層 將控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)加工后傳至上級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP以太網(wǎng)），以便實(shí)現(xiàn)管控一體化，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    ②  智能建筑的系統(tǒng)集成 城市信息化、數(shù)字化的發(fā)展、智能建筑（包括智能化住宅小區(qū)），已成為數(shù)字化城市的信息站點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)信息共享，必須實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的縱向集成，即控制網(wǎng)與TCP/IP的以太網(wǎng)集成。各子系統(tǒng)（空調(diào)、給排水、供電……）由控制網(wǎng)互聯(lián)再經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入TCP/IP以太網(wǎng)，或者各子系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)關(guān)直接接入TCP/IP以太網(wǎng)。

    智能建筑集成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  智能建筑系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    由于各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊協(xié)議是多樣化的，這兩種集成模式都要開(kāi)發(fā)網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，這樣加大了系統(tǒng)集成技術(shù)的復(fù)雜性，提高了成本。有人大膽提出能否用TCP/IP協(xié)議作為一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議，各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接接到以太網(wǎng)上以簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成的技術(shù)難度，降低成本，使控制信號(hào)直接由以太網(wǎng)傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)的概念因此被提出。

2  以太網(wǎng)與CSMA/CD

    (1)  以太網(wǎng)

    以太網(wǎng)（Ethernet）1975年由美國(guó)XEROX公司研制成功，由于采用無(wú)源介質(zhì)（如雙絞線、同軸電纜等）來(lái)傳播信息，所以以歷史上把傳播電磁波稱為“以太”（Ether）來(lái)命名。

    1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯(lián)合推出了EthernetV2，是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)規(guī)范。1983年IEEEE802委員會(huì)以DIX EthernetV2為基礎(chǔ)推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)。

    802.3是指采用CSMA/CD的網(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)由DIX EthernetV2定義，在不嚴(yán)格的情況下，可以稱之為802.3局域網(wǎng)，也就是以太網(wǎng)。

    工業(yè)以太網(wǎng)就是將商用以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，兩種網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，兩者是兼容的。

    (2)  CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)）

    CSMA/CD最早是由CSMA改進(jìn)而來(lái)。

    ①  CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)）：一個(gè)站要發(fā)送信號(hào)，首先要監(jiān)聽(tīng)總線，以決定介質(zhì)是否存在其它站發(fā)來(lái)的信號(hào)。

•  如果介質(zhì)是空閑的，則可以發(fā)送；

•  如果介質(zhì)正處于工作狀態(tài)，則等待一段間隔后重試，當(dāng)聽(tīng)到介質(zhì)處于忙狀態(tài)，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽(tīng)信號(hào)：非堅(jiān)持CSMA、1―堅(jiān)持CSMA