编者：作者从信息发展的进程出发，总结了现场总线在发展中存在的问题，阐述了以太网进军工业自动化领域的必然性，说明了以太网将最终连接大多数的传感器和执行器，并由此形成一种基于以太网的全开放的扁平化工业控制网络结构。
1、引言
大量的智能设备可通过各种途径连到Internet上，通过网络相互通信，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及管控一体化。现场总线（fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始；现场总线的发展，对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用。但是，现场总线的开放性是有条件的，是不彻底的。多种现场总线并存已成定局，难以沿开放的方向发展。
当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网络技术却迅猛发展。以太网（Ethernet）是计算机应用最广的网络技术，它不仅是一种主要的办公自动化局域网，而且大举进军工业自动化领域，在工业控制局域网中得到了很好的应用。
随着控制、计算机、通信、网络技术的发展，信息沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。企业的新技术的方向是建立在Internet基础上的开放式的、透明的商业运作，用以取代传统的运作方式，企业决策层、生产管理者乃至经销商和用户都需要了解生产线上的信息。打破传统的工业控制网络体系，实现办公自动化与工业自动化的无缝结合，形成新型的管控一体化的全开放工业控制网络，是现代企业提出的要求，也是信息发展进程的结果。
2、现场总线的特点与现状
现场总线导致了传统控制系统的变革，形成了新一代现场总线控制系统FCS（fieldbus control system）。它把各个分散的测量、控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统，构造了真正的全分布式系统，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能，实现了智能下移到设备的目标。
但现场总线的发展并不如人意，在全开放、全分散以及和办公自动化的无缝结合等方面仍存在需要解决的问题。
3、Ethernet／Fieldbus的网络结构
企业综合信息系统把企业经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场总线紧密地联系在一起，将自动控制、办公自动化、经营管理、市场销售等层次的计算机互联成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。20世纪80年代提出了TOP／MAP／Fieldbus的网络结构形式，该信息从生产现场的底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营管层多个层次，各层之间通过专门的接口，实现相互沟通与信息交换。
随着因特网的迅速扩大，它所采用TCP／IP协议成为事实上的工业标准，再加上PC机、工业PC机逐渐成为企业的主流机种，使企业网络结构受到因特网连接方式和通信技术发展的冲击与影响，在基本相同的功能模式下，网络的结构层次简化了许多。既TCP／IP通信协议占据了TOP／MAP层通信协议的位置，多层分布式子网的结构逐渐为以太网所取代。
由于现场总线所处的特殊环境以及所承担的实时控制任务，当时一般的局域网通信技术难以取代它。加之现场总线对通信量的要求低，而底层设备量又非常大，采用现场总线比当时一般局域网更能节约投资，因而在过去的十几年中，现场总线保持着它在底层控制网络的地位和作用。
将现场总线通过通信控制直接挂接到Ethernet上，是目前许多企业普遍采用的办法，它虽然较之过去的多层次的网络结构简洁的多，但从本质上讲它仍然是离散的网络结构，无法实现办公自动化与工业自动化的无缝结合。
4、Ethernet进军工业自动化
Ethernet在工业自动化领域从被抛弃到受到优待，发生了翻天覆地的变化。Ethernet在工业自动化领域的应用远不止与FCS相连接和闯入高速现场总线领域，而是在工业自动化整个领域全面进军；Ethernet将最终达到传感器和执行器。
4.1 Ethernet作为工控网的可行性
1）阻碍Ethernet作为工控网的问题已解决。 Ethernet采用由IEEE802．3定义的数据传输协议CD－MA／CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问协议），该协议虽然简单，但它由碰撞而引起的信息传输时间的随机性是一切争论和反对Ethernet的根源。但随着Ethernet速度的提高，从最初的10Mbit／s发展到100Mbit／s，目前已有超过1000Mbit／s的产品了，足够的带宽足以承受很大的负荷，以上问题就得到了大大的淡化。当网络负荷不超过带宽的37％时，网络冲突率很低。加之可用交换机，使接入网络的节点各自独占一条线路来彻底解决以上问题。采用高速背板交换或微处理器交换，响应时间是确定的。另外，Ethernet的网络传输线已从昂贵且难以安装的同轴电缆变化到廉价的非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力可与4～20mA模拟传输线路相当，如果需要更强的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤通信。解决了实时性、稳性定和抗干扰性，Ethernet的优越性便凸现；
2）低成本是Ethernet的极大优越性。以太网与计算机、服务器等接口十分方便。Ethernet网卡的价格为FF现场总线网卡的十分之一。另外，用户的拥有成本下降，几乎每一家企业都具备Ethernet维护人员；
3）Ethernet易与Internet集成；
4）Ethernet受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，今后还会出现更好的Ethernet开发技术。硬件开发商Ethernet系统的设计提供了广泛的硬件产品选择，人们对Ethernet的设计、应用有较为丰富的经验。
应用TCP／IP协议的Ethernet已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术，采用TCP／IP上网技术是顺应当今计算机网络技术发展潮流的明智之举。由于以太网成熟的技术、低廉的网络产品、丰富的开发工具和技术支持，当现场总线的发展遭遇到阻碍时，以太网控制技术却以非常迅猛的速度发展。
4.2 Ethernet从诸多途径进入工控领域
Ethernet进入工业自动化领域首先是从I／O开始的，这类产品最初用于基于PC机的开放式控制系统，由于绝大多数商用PC均提供Ethernet接口，操作系统也配备了TCP／IP协议，使几乎所有的I／O的供应商均提供一个支持TCP／IP协议的Ethernet网接口。另外，控制器、PLC、和DCS厂商也开始提供Ethernet接口。
现场总线及FCS的高层大都能与Ethernet相连接。由于工业控制的方向是与Internet集成，所以各大现场总线大多与Ethernet相连接，现场总线组织直接开发基于以太网的现场总线协议。FF、Profibus、ControlNet等也在着手进行相关的开发。
4.3 Ethernet直接到达传感器与执行器
随着计算机技术的发展，工业控制领域出现了嵌入技术，现正步入PC成熟技术向嵌入式产品转化的后PC时期。利用嵌入技术的软、硬件，设计者可在单片机系统上实现以太网技术。这样，Ethernet就可到达传感器和执行器。以太网的发展势头表明，以太网络将可能成为分布式网络的主要接入网络，并将最终连接大多数的传感器与执行器。让现场仪表具有Ethernet接口而直接构成基于Ethernet的工业控制网络，这将是网络产品移植的明显方向。
5、基于Ethernet的全开放工业控制网络
由于嵌入技术使Ethernet能到达传感器和执行器，这使得整个网络的瓶颈效应集中在应用现场总线的设备层上的问题得以解决。可构成新型工业控制网络体系结构。
这个网络的特点是：首先，Ethernet贯穿于整个网络的各个层次，它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，因而我们称它为扁平化的工业控制网络，其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构，一种真正意义上的大统一。其次，高性能的工业网络要求更高的带宽，而以太网是一种成熟的快速的网络协议，近期发展的100Mbps快速以太网以及千兆以太网使其能够胜任成为整个企业范围的主干网，它能提高带宽与响应时间。另外，低成本是基于以太网的工业控制网络的无可比拟的优越性。
6、结束语
如果说现场总线技术是工业控制领域里的一次革命，它标志着工业控制技术领域的又一个新时代的开始，那么Internet、TCP／IP协议、Ethernet把信息发展带入第五个阶段，它将包容这个革命。以太网应用于企业现场设备控制层是网络发展的趋势，是信息发展进程的必然结果。□