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郭維鈞  方甲松

1  工業以太網產生的背景

    (1)  統一現場總線標準成為泡影，誘惑依然

    1984年美國著手制定現場總線國際標準，若干年以來，世界各大公司為了商業的利益，現場總線標準始終不能統一。通過多次投票、協商，2000年1月宣布的現場總線國際標準IEC61158將八種總線（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時列為國際標準（目前已達10種），形成一個妥協的結果。

    同時，國外各大公司又推出了自己的標準，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法國Schneider等，目前多種總線的標準同時存在的局面依然存在，人們所說的開放性和互操作性只能在同一種總線標準下實現，不同標準總線之間仍然受到限制。不同總線之間的互聯性得不到保證，因此人們在努力尋求一種統一標準的現場總線，有人提出了采用TCP/IP協議的以太網。

    (2)  系統集成的需求

    ①  工業自動化的管控一體化 企業信息化是我國的國策，以制造自動化及信息化為例：在需要改變業務流程度的同時，將管理信息系統與電子商務、分散的網絡化制造加以集成，把現有的企業資源ERP改造成為基于WEB的應用系統。目前工業自動化已從單機自動化、工廠自動化，向系統自動化發展，底層的信息要集成到上層的信息網上以實現管控一體化的集成系統。以現代制造業為例，其現代制造自動化模型如圖1所示。

圖1  現代制造自動化模型

    現代化生產系統為一個多層的工業控制系統，一般分為三層：

•  設備層 聯接檢測設備和執行機構；

•  控制層 從現場設備取得數據，完成各種控制，監測運行參數，報警和歷史趨勢分析等；

•  信息層 將控制系統的各種數據加工后傳至上級管理網絡（TCP/IP以太網），以便實現管控一體化，其網絡結構如圖2所示。

圖2  企業管控一體化網絡結構圖

    ②  智能建筑的系統集成 城市信息化、數字化的發展、智能建筑（包括智能化住宅小區），已成為數字化城市的信息站點，要實現信息共享，必須實現控制網與信息網的縱向集成，即控制網與TCP/IP的以太網集成。各子系統（空調、給排水、供電……）由控制網互聯再經網關接入TCP/IP以太網，或者各子系統經網關直接接入TCP/IP以太網。

    智能建筑集成系統網絡結構如圖3所示。

圖3  智能建筑系統集成網絡結構圖

    由于各子系統及各現場設備通訊協議是多樣化的，這兩種集成模式都要開發網關，以實現協議的轉換和統一，這樣加大了系統集成技術的復雜性，提高了成本。有人大膽提出能否用TCP/IP協議作為一個統一的協議，各子系統及各現場設備直接接到以太網上以簡化系統集成的技術難度，降低成本，使控制信號直接由以太網傳輸，工業以太網的概念因此被提出。

2  以太網與CSMA/CD

    (1)  以太網

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

    1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯合推出了EthernetV2，是世界上第一個局域網規范。1983年IEEEE802委員會以DIX EthernetV2為基礎推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介質訪問控制技術。

    802.3是指采用CSMA/CD的網絡，而以太網的標準由DIX EthernetV2定義，在不嚴格的情況下，可以稱之為802.3局域網，也就是以太網。

    工業以太網就是將商用以太網應用到工業控制系統，兩種網絡并沒有本質的區別，兩者是兼容的。

    (2)  CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監聽多路訪問/沖突檢測）

    CSMA/CD最早是由CSMA改進而來。

    ①  CSMA（載波監聽多路訪問）：一個站要發送信號，首先要監聽總線，以決定介質是否存在其它站發來的信號。

•  如果介質是空閑的，則可以發送；

•  如果介質正處于工作狀態，則等待一段間隔后重試，當聽到介質處于忙狀態，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽信號：非堅持CSMA、1―堅持CSMA