簡述在工業(yè)控制中以太網(wǎng)的應用

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和復雜程度的提高，實際應用對控制系統(tǒng)的要求越來越高。在20世紀50~60年代，以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機電控制系統(tǒng)。隨后是在70~80年代，集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）的出現(xiàn)，把大量分散的單回路測控系統(tǒng)通過計算機進行集中統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模塊代替控制室儀表，利用計算機實現(xiàn)回路調節(jié)、工況聯(lián)鎖、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等多種功能，從而實現(xiàn)了工業(yè)控制技術的飛躍。

　　DCS一般由操作站級、過程控制級和現(xiàn)場儀表三級組成，其特點是“集中管理，分散控制”，基本控制功能在過程控制級中，工作站級的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個局部的不可靠而造成對整個系統(tǒng)的損害降到較低的程度，且各種軟硬件技術不斷走向成熟，極大地提高了整個系統(tǒng)的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主流。但DCS的結構是多級主從關系，底層相互間進行信息傳遞必須經(jīng)過主機，從而造成主機負荷過重，效率低下，并且主機一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會“癱瘓”。而且DCS是一種數(shù)字-模擬混合系統(tǒng)，現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4~20mA模擬信號，工程與管理成本高，柔性差。此外各制造商的DCS自成標準，通訊協(xié)議封閉，極大的制約了系統(tǒng)的集成與應用。

　　進入90年代，具有數(shù)字化的通信方式、全分散的系統(tǒng)結構、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡、多種傳輸媒介和拓撲結構、高度的環(huán)境適應性等特點的現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術迅速崛起并趨向成熟，控制功能全面轉入現(xiàn)場智能儀表，而在此基礎上形成的新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字-模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。相應的控制網(wǎng)絡結構也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結構分為設備層、控制層和信息層。采用了現(xiàn)場總線技術使控制功能下放到現(xiàn)場設備成為可能，現(xiàn)場總線標準不僅是通信標準，同時也是系統(tǒng)標準。FCS正在走向取代DCS并推動著工業(yè)控制技術的又一次飛躍。

　　1.1標準問題

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(tǒng)一的標準。2000年初IEC公布的IEC61158國際標準，產(chǎn)生了H1（FF）、ControlNet、Profibus、P-Net、HSE（FF）、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等8種IEC現(xiàn)場總線國際標準子集。IEC現(xiàn)場總線國際標準制定的結局表明，在相當長的一段時期內(nèi)，將出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線并存的局面，并導致控制網(wǎng)段的系統(tǒng)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(xiàn)場總線采用不同的通信協(xié)議，要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。每種現(xiàn)場總線都有自己最合適的應用領域，如何在實際中根據(jù)應用對象，將不同層次的現(xiàn)場總線組合使用，使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場總線，對用戶來說，仍然是比較棘手的問題。

　　1.2系統(tǒng)的集成問題

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

　　1.3存在技術瓶頸

　　現(xiàn)場總線在應用中還存在一些技術瓶頸問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

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

　?。?）本安防爆理論的制約?，F(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長度和總線上負載的數(shù)量。這就是限制了現(xiàn)場總線節(jié)省電纜優(yōu)點的發(fā)揮。

　?。?）系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過分復雜?，F(xiàn)場總線的組態(tài)參數(shù)很多，不容易掌握，但組態(tài)參數(shù)設定得好壞，對系統(tǒng)性能影響很大。

　　因此，采用一種統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準對于現(xiàn)場總線技術的發(fā)展具有特別重要的意義。為了加快新一代控制系統(tǒng)的發(fā)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(yè)內(nèi)人士把目光轉移到了在商用局域網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議的以太網(wǎng)技術。3、以太網(wǎng)與TCP/IP

　　以太網(wǎng)（Ethernet）最早來源于Xerox公司于1973年建造的網(wǎng)絡系統(tǒng)，是一種總線式局域網(wǎng)，以基帶同軸電纜作為傳輸介質，采用CSMA/CD協(xié)議。Xerox公司建造的以太網(wǎng)非常成功，1980年Xerox、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標準。1985年，IEEE802委員會吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標準，并對其進行了修改。以太網(wǎng)標準和IEEE802.3標準的主要區(qū)別是以太網(wǎng)標準只描述了使用50歐同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸率為10Mbps的總線局域網(wǎng)，而且以太網(wǎng)標準包括ISO數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的全部內(nèi)容;而IEEE802.3標準描述了運行在各種介質上的、數(shù)據(jù)傳輸率從1Mbps~10Mbps的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)，而且IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的一個子層（即介質訪問控制MAC子層）和物理層，而數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。該規(guī)范規(guī)定采用載波偵聽多路訪問/沖突（碰撞）檢測CSMA/CD（Carrier Sense MulTIple Access/Collision Detect），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(wǎng)標準只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，作為一個完整的通信系統(tǒng)。以太網(wǎng)在成為數(shù)據(jù)鏈路和物理層的協(xié)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(wǎng)采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，人們甚至把如超文本連接HTTP等TCP/IP協(xié)議組放在一起，稱為以太網(wǎng)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(nèi)，而且在各個企業(yè)的管理網(wǎng)絡、監(jiān)控層網(wǎng)絡也都廣泛使用以太網(wǎng)技術，并開始向現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡延伸。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協(xié)議簇。

　　在TCP協(xié)議中，網(wǎng)絡層的核心協(xié)議是IP（Internet Protocol），同時還提供ARP（Address ResoluTIon Protocol）、RARP（Reverse Address ResoluTIon Protocol）、ICMP（Internet Control Messages Protocol）等協(xié)議。該層的主要功能包括處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求（即組裝IP數(shù)據(jù)報并發(fā)往網(wǎng)絡接口）、處理輸入數(shù)據(jù)報、轉發(fā)數(shù)據(jù)報或從數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol）和傳輸控制協(xié)議TCP（Transfer Control Protocol）兩個協(xié)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(shù)據(jù)傳送服務，主要用于傳送大量報文，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p> 　　2、以太網(wǎng)的優(yōu)點

　　以太網(wǎng)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(yōu)點是簡單，經(jīng)濟實用，易為人們所掌握，所以深受廣大用戶歡迎。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有以下幾個方面的優(yōu)點：

　　（1）兼容性好，有廣泛的技術支持

　　基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標準的開放式網(wǎng)絡，適合于解決控制系統(tǒng)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(lián)，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡與工業(yè)控制網(wǎng)絡的信息無縫集成。以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的計算機網(wǎng)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(wǎng)的應用開發(fā)，如VB、Java、VC等。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。工業(yè)控制網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡技術互相促進，共同發(fā)展，并保證技術上的可持續(xù)發(fā)展。

　　（2）易于與Internet連接

　　以太網(wǎng)支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡協(xié)議，能夠在任何地方通過Internet對企業(yè)進行監(jiān)控，能便捷地訪問遠程系統(tǒng)，共享/訪問多數(shù)據(jù)庫。

　?。?）成本低廉

　　采用以太網(wǎng)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(wǎng)的應用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的廣泛支持，具有豐富的軟硬件資源，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，硬件價格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有現(xiàn)場總線的十幾分之一，并且隨著集成電路技術的發(fā)展，其價格還會進一步下降。人們對以太網(wǎng)的設計、應用等方面有很多的經(jīng)驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)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(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

　?。?）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/p>

　　由于以太網(wǎng)的廣泛應用，使它的發(fā)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(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，保證了以太網(wǎng)技術的持續(xù)發(fā)展。

　　（5）通信速率高

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

　　但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡，要應用到工業(yè)控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

　?。?）存在實時性差，不確定性的問題

　　傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質訪問控制機制，各個節(jié)點采用BEB（Binary ExponenTIal Back-off）算法處理沖突，具有排隊延遲不確定的缺陷，每個網(wǎng)絡節(jié)點要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權。通信時節(jié)點監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，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(yè)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(yè)控制中的應用。

　?。?）工業(yè)可靠性問題

　　以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)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(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車間底層應用，必須要解決可靠性的問題。

　?。?）以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜

　　工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)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。

　?。?）以太網(wǎng)不是本質安全系統(tǒng)

　?。?）安全性問題

　　以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)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(wǎng)絡安全威脅。沒有授權的用戶可能進入網(wǎng)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(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機制加強網(wǎng)絡的安全管理，但針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡安全問題的解決方案還需要認真研究。

　　（6）現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡與新建以太控制網(wǎng)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(wǎng)進入工業(yè)控制領域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。5、工業(yè)以太網(wǎng)

　　一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)是專門為工業(yè)應用環(huán)境設計的標準以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，工業(yè)以太網(wǎng)和標準以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計算機和商用計算機的異同。以太網(wǎng)要滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，需達到以下幾個方面的要求。

　?。?）適應性

　　包括機械特性（耐振動、耐沖擊）、環(huán)境特性（工作溫度要求為-40~+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2、EN50082-2標準。

　　（2）可靠性

　　由于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。

　?。?）本質安全與安全防爆技術

　　對應用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。現(xiàn)場設備的防爆技術包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質安全型兩類。與隔爆型技術相比，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術和經(jīng)濟上的優(yōu)點：結構簡單、體積小、重量輕、造價低;可在帶電情況下進行維護和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實現(xiàn)本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5V工作電源），因此低功耗的現(xiàn)場設備（如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機構等）設計難以實現(xiàn)。因此，在目前的技術條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復雜的防爆措施。

　?。?）安裝方便，適應工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。

　　隨著相關技術的發(fā)展，以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質的飛躍，再借助于相關技術，可以從總體上提高以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制中的實用性。

　　5.1采用交換技術

　　傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器，其結構和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器，連接到共享式集線器上的所有站點共享一個帶寬，遵循CSMA/CD協(xié)議進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設備的目標端之間提供了一個直接快速的點到點連接。不同端口可以形成多個數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現(xiàn)代交換機技術的發(fā)展，交換機端口內(nèi)部之間的傳輸速率比整個設備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大，因而減少以太網(wǎng)的沖突率，并為沖突數(shù)據(jù)提供緩存。當然交換機的工作方式必須是存儲轉發(fā)方式，這樣在系統(tǒng)中只有點對點的連接，不會出現(xiàn)碰撞。多個交換把整個以太網(wǎng)分解成許多獨立的區(qū)域，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡性能和確定性。

　　交換式以太網(wǎng)沒有更改原有的以太網(wǎng)協(xié)議，可直接使用普通的以太網(wǎng)卡，大大降低了組網(wǎng)的成本，并從根本上解決了以太網(wǎng)通信傳輸延遲存在不確定性的問題。研究表明，通信負荷在10%以下時，以太網(wǎng)因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計。在工業(yè)控制網(wǎng)絡中，傳輸?shù)男畔⒍酁橹芷谛詼y量和控制數(shù)據(jù)，報文小，信息量少，傳輸?shù)男畔㈤L度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點與量程調校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個字節(jié)，對網(wǎng)絡傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺Ｑ芯勘砻?，在擁?000個I/O的典型工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信負荷為10M以太網(wǎng)的5%左右，即使有操作員信息傳輸（如設定值的改變，用戶應用程序的下載等），10M以太網(wǎng)的負荷也完全可以保持在10%以下。

　　5.2采用高速以太網(wǎng)

　　隨著網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)（100M）和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國際標準，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過提高通信速度，結合交換技術，可以大大提高通信網(wǎng)絡的整體性能。

　　5.3采用全雙工通信模式

　　交換式以太網(wǎng)中一個端口是一個沖突域，在半雙工情況下仍不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個站點可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時接收數(shù)據(jù)，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通信技術可以使設備端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上同時接收和發(fā)送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣，任一節(jié)點發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復存在。對于緊急事務信息，則可以根據(jù)IEEE802.3p

　　5.4采用虛擬局域網(wǎng)技術

　　虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的許多固有觀念，使網(wǎng)絡結構更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機的每一個端口只能標記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產(chǎn)生。工業(yè)過程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實時性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開來，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區(qū)分開，從而達到提高網(wǎng)絡的整體安全性和簡化網(wǎng)絡管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有靜態(tài)端口分配、動態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡管理人員利用網(wǎng)管軟件或設備交換機的端口，使其直接從屬某個虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設置;動態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬;多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個用戶或一個端口同時訪問多個虛擬網(wǎng)，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門可以同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網(wǎng)的資源。

　　5.5引入質量服務（QoS）

　　IP QoS是指IP的服務質量（quality of service），亦即IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。QoS有一套度量指標，包括業(yè)務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡可以區(qū)分實時-非實時數(shù)據(jù)，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術，可以識別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，并對它們優(yōu)先處理，在響應延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級等方面，使工業(yè)以太網(wǎng)滿足工業(yè)自動化實時控制要求。另外，QoS網(wǎng)絡還可以制止對網(wǎng)絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元的終端等。

　　此外，還出現(xiàn)了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應用標準及相關協(xié)議的改進。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡，不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本，以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應用標準。如Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業(yè)協(xié)議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協(xié)議的應用層移植到TCP.FF制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議HSE提供了發(fā)布方/定購方、對象等模型，主要用于工程控制領域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司發(fā)布的Modbus/TCP協(xié)議將Modbus協(xié)議捆綁在TCP協(xié)議上，易于實施，能夠實現(xiàn)互聯(lián)。

　　為了提高實時性，以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進。一種完全基于軟件的協(xié)議RETHER（Real Time Ethernet）可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件的情況下確保實時性，它采用一種混合操作模式，能減少對網(wǎng)絡中非實時數(shù)據(jù)傳輸性能的影響;非競爭的容許控制機制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節(jié)點故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協(xié)議的網(wǎng)絡以CSMA和RETHER兩種模式運行。在實時對話期間，網(wǎng)絡將透明地轉換到RETHER模式，實時對話結束后又重新回到CSMA模式。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫RTCC（Real Time Communication Control），為分布式實時應用提供了良好的基礎。RTCC是加在Ethernet之上的一層協(xié)議，能提供高速、可靠、實時的通信。它不需要改變現(xiàn)有的硬件設備，采用命令/響應多路傳輸和總線表兩種新穎的機制來分配信道。所有節(jié)點在RTCC協(xié)議中被分為總線控制器（BC）和遠程終端（RT）兩類，BC只有一個，其余都是RT.信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由BC承擔，訪問仲裁過程和傳輸控制過程都是由BC來實現(xiàn)的，通過兩個過程的集成與同步，不僅節(jié)點的發(fā)送時間是確定的，而且節(jié)點使用總線的時間也可控。在10Mbps以太網(wǎng)上的實驗表明，RTCC有令人滿意的確定性。第三種改進實時性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與Ethernet MAC之間加一個流量平衡器。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個網(wǎng)絡節(jié)點上。在本地節(jié)點，它給予實時數(shù)據(jù)包以優(yōu)先權來消除實時信息與非實時信息的競爭，同時平衡非實時信息，以減少與其他節(jié)點實時信息之間的沖突。為了保證非實時信息的吞吐量，流量平衡器還能根據(jù)網(wǎng)絡的負載情況調整數(shù)據(jù)流產(chǎn)生率。這種方法不需要對現(xiàn)有的標準Ethernet MAC協(xié)議和TCP或UDP/IP作任何改動。

　　因此，針對以太網(wǎng)排隊延遲的不確定性，通過采用適當?shù)牧髁靠刂?、交換技術、全雙工通信技術、信息優(yōu)先級等來提高實時性，并改進了容錯技術、系統(tǒng)設計技術以及冗余結構，以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡。事實上，20世紀90年代中后期，國內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)，推出了基于以太網(wǎng)的DCS、PLC、數(shù)據(jù)采集器，以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀表、顯示儀表等產(chǎn)品。

　　隨著網(wǎng)絡和信息技術的日趨成熟，在工業(yè)通信和自動化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段，向網(wǎng)絡化、標準化、開放性方向發(fā)展將是各種控制系統(tǒng)技術發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應用最廣泛、成長最快的局域網(wǎng)技術，在工業(yè)自動化和過程控制領域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時，基于IP的全程一體化尋址，為工業(yè)生產(chǎn)提供的標準、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響。