由于Ethernet技术和应用的发展，使其从办公自动化走向工业自动化。首先是通信速率的提高，Ethernet从10M、100M到现在的 1000M、10G，速率提高意味着网络负荷减轻和传输延时减少，网络碰撞几率下降;其次由于采用双工星形网络拓扑结构和Ethernet交换技术，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/CD机制的制约，避免了冲突;再加上全双工通信方式使端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送数据，而不发生冲突。这样，全双工交换式Ethernet能避免因碰撞而引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性。同时，由于工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方向发展，使通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。这样，技术和应用的发展使Ethernet进入工业自动化领域成为必然。
所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。
随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决 Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面。
1.通信确定性与实时性
工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。
然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethernet的通信速率从 10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。其次，采用星形网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞;同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信)，或碰撞几率大大降低(半双工)，因此使Ethernet 通信确定性和实时性大大提高。
2.稳定性与可靠性
Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等)，故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。
随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，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。我国台湾四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工业以太网产品-MOXA EtherDevice Server(工业以太网设备服务器)，特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备(如PLC、HMI、DCS系统等)。
最近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。
3.工业以太网协议
由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。
对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层;而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主(已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准)。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP(WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。
为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ethernet+TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如 HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。
近年来，工业以太网的兴起引起了自动控制领域的重视，同时许多人担心工业以太网标准的不统一会影响其渗透到自动控制网络的应用。现场总线标准争论了10 年，工业以太网标准或许也会这样。目前IEC61158标准中有8种现场总线，这8种总线各有各的规范，互不兼容。下一步向工业以太网发展形成的4类不同协议标准，分别是由主要的现场总线生产厂商和集团支持开发的：
① FF和WorldFIP向Fieldbus Foundation HSE发展;
② ControlNet和DeviceNet向EtherNet/IP发展;
③ Interbus和ModBus向IDA发展;
④ PROFIBUS向PROFInet发展。
这4类工业以太网标准，都有其支持的厂商并且目前已有相应产品。一些国际组织也在积极推进以太网进入控制领域：美国电气和电子工程师协会(IEEE)正在着手制定现场总线和以太网通信的新标准，该标准将使网络能看到“对象”;工业自动化开放网络联盟(IAONA)最近与DeviceNet供应商协会(ODVA)和IDA集团就共同推进Ethernet和TCP/IP统一认识，努力建立一个统一的工业以太网环境;现场总线基金会在推进高速以太网HSE 的技术规范和应用;工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group等单位合作，正在进行工业以太网关键技术的研究。
从目前的趋势看，以太网进入工业控制领域是必然的，但会同时存在几个标准。现场总线目前处于相对稳定时期，已有的现场总线仍将存在，并非每种总线都将被工业以太网替代。伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内也不会完全统一，会同时存在多个协议和标准。
8.1.2 工业以太网的主要标准
工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和TCP/IP技术真正能应用到控制层，延伸至现场层，而在信息层又尽可能采用IT行业一切有效而又最新的成果。因此，工业以太网与以太网在工业中的应用全然不是同一个概念。
目前，4种主要的工业以太网除了在物理层和数据链路层都服从IEEE802.3外，在应用层和用户层协议均无共同之处。这主要是因为它们的应用领域和发展背景的不同。如果我们把应用领域分为离散制造控制和连续过程控制，而又把网络细分为设备层、I/O层、控制层和监控层，那么各种工业以太网及其相关现场总线的应用定位一目了然，如图8-1所示。其中主要用于离散制造领域且最有影响的，当推ModBus TCP/IP、EtherNet/IP、IDA和PROFInet。在全球PLC市场居领先地位的Siemens不遗余力地推动PROFInet /PROFIBUS组合;Rockwell Automation和Omron以及其他一些公司致力于推进EtherNet/IP及其姐妹网络基于CIP的DeviceNet和ControlNet;Schneider则加强它与IDA的联盟。而在过程控制领域只有FF HSE一家。看来，它成为过程控制领域中惟一的工业以太网标准已成定局。在监控级，OPC DX可作为EtherNet/IP、FF HSE和PROFInet数据交换的“软件网桥”。现场总线基金会FF、ODVA和Profibus International(PI)这3大国际性工业通信组织，合力支持OPC基金会的DX工作组正在制定的规范。由于它们各有不同的侧重点，无法也不会愿意寻求统一的协议。折中的办法就是宣布支持OPC DX，找到一种进行有效的数据交换的中间工具 软件网桥。
看起来，INONA(工业自动化联网联盟)和OPC基金会一直在试图缓和和调节这场潜在的标准之争。但这场工业以太网协议之争，并未因此停息。这就是有些人说的工业以太网大战取代了现场总线大战。不同的是，当年现场总线之争的焦点集中在物理层和数据链路层;而当前工业以太网最大的差异，即竞争的焦点却集中在应用层和用户层。
图8-1 工业以太网与相关现场总线协议的应用定位
此外，还有一个显著的特点是一般工业以太网都有与之互补的设备层现场总线，如表8-1所示。
表8-1 工业以太网和与其互补的设备层现场总线
其中最为简单、实用的是ModBus TCP/IP。它除了在物理层和数据链路层用以太网标准，与ModBus采用RS 232C/RS 422/RS 485不同外，在应用层二者基本是一致的，都使用一样的功能代码。它属于设备层中的工业以太网协议。目前在MODICON的PLC中用得很多。同时，由于大多数工业以太网的竞争者都有与之互补的设备层网络，IDA是后来的参与者，没有适合的设备层协议，所以它增加了一个与ModBus TCP/IP的接口，在其网络结构中采用ModBus TCP/IP作为设备层。
具有大型自动化设备公司背景的工业以太网，无例外地在控制级使用，现场级仍然采用现场总线。原因是什么?有人说是在保护自己的投资利益，这也许没错。但是，如果我们从过程控制对现场仪表的要求来看却不难发现，以太网要用到现场层目前还存在一些技术壁垒。这主要是回路供电、低功耗、实时性、本安防爆、电磁兼容性和环境适应性。这也许是更实际的一些技术原因。低功耗是用于过程控制现场设备层仪表的关键技术，牵涉到仪表的以下性能：回路供电(传输距离、现场总线分支可挂仪表数量、导线截面大小);本安防爆;电磁敏感性。目前以太网收发器的功耗较大，一般均在60mA以上。现场设备(如工业以太网的交换式集线器)、基于以太网的现场仪表的低功耗设计难以实现。而获得本安防爆的最高传输频率为1Mbit/s，远低于以太网的传输频率。可见，目前基于以太网的现场仪表尚不能完全满足上述要求。从成本上说，基于以太网的现场仪表若满足上述要求，不比现场总线仪表便宜。
1.IDA的通信结构和通信协议
IDA(the Interface for Distributed Automation)是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，它将一种实时的基于web的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案。作为一个单纯的工业以太网协议，IDA涵盖自动化结构中所有层次，包括设备层。它曾致力于开发一个供机器人、运动控制和包装用的目标/功能块库。这些应用与PLC的控制的显著差别在于它们要求微秒级的同步(PLC的控制只要求毫秒级的确定性)。IDA通过因特网协议在以太网总线上用RTI(Real Time Innovations)公司的中间件NDDS来实现微秒级的实时性。NDDS采用发布方/预订方模型。
ModBus TCP/IP将与FTP或HTTP一样在其公共的操作系统中作为一个标准，ModBus将占端口502——前1000个已定义的端口中的一个。因为 ModBus TCP/IP是完全透明的，所以很好地符合IDA。IDA协议建立在组件的基础上，该组件包括了IEC 61449的第一部分体系结构功能块标准，但用IDA的体系结构替代了IEC 61499的模型。除了支持以太网TCP、UDP和IP有关的web服务的完整套件外，IDA协议规范还包括：基于RTI公司的中间件NDDS(网络数据传送服务)的RTPS(实时发布方/预订方)，ModBus TCP/IP作为工业因特网消息传输协议，IDA通信目标库，实时和安全API。IDA的协议栈如图8-2所示。
图8-2 IDA的协议栈
2.Ethernet/IP的通信结构和通信协议
ODVA除了拥有DeviceNet和ControlNet，还控制另一个总线EtherNet/Industrial Protocol(EtherNet/IP)，它把处于应用层和用户层的DeviceNet和ControlNet的目标库CIP(Control and Information Protocol，包含了所有经典的PLC运算)与以太网物理介质捆绑在一起。作为一个与介质无关的协议，CIP还可进一步与FireWire或无线网络捆绑起来。EtherNet/IP主要的优势在于，它向最终用户提供了控制网络的各种基本服务之外，还提供了许多优良的性能，包括2ms的刷新时间;与其他网络通信的路径控制能力;附加于程序上载/下载和消息传送的I/O控制;几种I/O交换的选项(查询、循环、状态改变等)。而且，CIP通用工业协议是与DevicelNet和ControNet共享的，保证了它们之间的可互操作性。EtherNet/IP通信协议模型如图8-3所示。
图8-3 EtherNet/IP通信协议模型
3.PROFInet的通信结构和通信协议
在PROFInet的第一次公布的版本中，提供了一种非确定性的控制层的结构，有点类似于PROFIBUS网络。在PROFInet V1.0中大大地加强了商用以太网、TCP/IP与UDP/IP以及Microsoft的DCOM、OPC，还有XML的作用。这样，有些背离了传统 PROFIBUS的结构，但实际上很好地嵌入了Siemens近来所采取的基于组件自动化的策略。在2003年推出的新版本PROFInet V2.0中，将通过实时通道(旁路掉TCP/IP协议栈)加进实时的功能。如图8-4所示，它在数据链路层采用了旨在减小处理通信栈所需时间的一种传输协议，从而极大地缩短了网络的刷新时间，确保刷新时间在5～10ms。实时通道除了可进行循环传输外，还可完成非循环(事件触发、过程数据修改、操作指令下达等)传输。同时还要加入网络管理、web功能，以及直接集成I/O设备等。
图8-4 PROFInet V2.0的实时数据优化通信通道
采用TCP/IP和开放的DCOM wire协议，使现有的现场总线网段可用如PROFIBUS一样的方式集成。这样，便可将传统的、基于任何标准设备或现场总线的自动化系统整合到 PROFInet的体系结构中。PROFInet的第3版准备配入所谓的“等时线实时”(IRT，Isochrone Real Time)性能，将能提供驱动150个节点的1ms同步，其阻塞时间不超过1μs。要达到这种性能，要求一种特殊的嵌入式4端口ASIC以太网交换器芯片。
4.HSE的通信结构和通信协议
美国的FF(现场总线基金会)采用高速以太网开发FCS系统控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用H1现场总线，构成信息集成开放的体系结构。 HSE遵循标准的以太网规范。还根据过程控制的需要，增加了一些可在标准以太网构架内进行无缝操作的功能。这也为HSE可以使用商用的以太网设备提供了条件。HSE使用链接装置(Linking Device)作为网桥与H1现场总线相连接。它允许就地分散连在各H1现场总线上的各种现场仪表实现点对点的对等通信，从而为真正实现现场回路控制奠定了通信基础。
FF在其规范中规定了21种功能块，供基本过程控制和先进过程控制使用。这些标准功能块驻留在与HSE相连的现场设备中，只要通过组态就予以链接。为进行复杂的批处理和混合控制等应用，FF还规定了柔性功能块，支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集，并可用作与PLC和其他协议通信的网间连接器。综上所述，我们可以得出这样一个结论：HSE工业以太网为连续的过程控制工业和断续的制造业所需的连续实时控制提供了各种的解决方案。它为连续过程控制系统、断续制造的控制系统、批量控制系统以及MES、ERP等企业信息管理系统的集成，提供了一种相当成熟的工业以太网的标准协议。HSE的通信栈如图8-5所示。
图8-5 HSE的通信栈
目前，工业以太网发展中还有待解决以下问题：
① 制定工业加强型网络端口连接件和网络设备的工业标准。据了解，以太网50%的故障出于连接件，因此提供优质的、适于在工业环境下正常工作的连接件，也是亟待解决的问题之一。
② 网络的可用性，或称网络的生存性，是指网络系统中任一组件发生故障，都不应导致操作系统、控制器和应用程序，以至于整个系统瘫痪。以太网最大的优点之一是它易于安装和连接，但这也使它最容易受到伤害。制定工业以太网网络设计的适当策略，保证它的可靠性、可恢复性和可管理性，如果未经周密设计，往往会给控制网络带来不良影响，降低其可靠性。这方面是有前车之鉴的。
③ 网络的安全性。在工业以太网中，通过网络链接的全都是工业现场设备，由于使用TCP/IP协议，难以避免病毒、黑客的非法入侵与非法操作，如何避免和防止这些对网络安全的威胁，是必须解决的重要问题。可以采用的措施有：网络隔离(如网关、服务器等的隔离)，将控制区内部的控制网络与外部信息网络分开;采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制。但目前尚未见到专门针对工业自动化控制网络安全的成熟软件。
④ 工业以太网应用层、用户层难以统一。前面已经谈到上述这些工业以太网最大的差异是在应用层和用户层，几乎是无法统一的。可以说，除了物理层和数据链路层以外都是竞争的地盘(见图8-5)。工业以太网协议竞争的新战场有：上层的功能性(functionality)如公用的设备行规，是确保设备的互操作性和可互换性的重要环节。这是与协议有关的竞争。网络配置每个协议都要指定若干配置参数，再加上制造厂又对自己生产的设备或系统附加了专用的功能，甚至还通过自己专用的配置工具及相应的软件进行竞争。这是与供应厂商有关的竞争。
8.1.3 工业以太网技术的发展趋势与前景
由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面。
1.工业以太网与现场总线相结合
工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：
① 物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等;
② 使用标准以太网连接设备(如交换机等)，在工业现场使用工业以太网交换机;
③ 采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组;
④ 应用层(甚至是用户层)采用现场总线的应用层、用户层协议;
⑤ 兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等。
这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出“透明工厂”的概念，即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络，并与Web功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。
2.工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋
随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。为此，国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网(Real-time Ethernet，RTE)标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“863计划的支持下，开展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果：
① 以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。
针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术：
实时通信技术。其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。
总线供电技术。采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。
远距离传输技术。采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。
网络安全技术。采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
可靠性技术。采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。
② 起草了EPA国家标准。
以工业现场设备间通信为目标，以工业控制工程师(包括开发和应用)为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP协议，起草了“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”(草案)，并通过了由TC124组织的技术评审。
③ 开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用。针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括：基于以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器、软PLC等成果。
在此基础上开发的基于EPA的分布式网络控制系统在杭州某化工厂的联碱碳化装置上成功应用，该系统自2003年4月投运一直稳定运行至今。
3.发展前景
据美国权威调查机构ARC(Automation Research Company)报告指出，今后Ethernet不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC(Venture Development Corp.)调查报告也指出，Ethernet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2000年的11%增加到2005 年的23%。
由于以太网有“一网到底”的美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。
目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。
