一、以太网的优越性

　　现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向之一。然而就目前情况来看，现场总线技术的发展存在的最主要问题是没有一个统一的国际标准。由于支持总线的集团间利益冲突等原因，不同现场总线产品间的互联非常困难。这不但使FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，给用户的使用带来了很大不便，也给现场总线技术的推广及现场总线控制系统的应用带来不利影响。

　　与此形成鲜明对比的是，以太网(Ethernet)技术在没有任何标准化组织支持的情况下却发展得非常迅速。以太网由于其开放性好，应用广泛以及价格低廉等特点，不但垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域(主要是在企业管理层)也得到了大规模的应用。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网己经成为工业控制领域的主要通信标准。这主要是因为以太网具有以下优点:

　　(1)应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如Java、VC++、VB等。这些编程语言使用广泛，具有很好的发展前景。因此，若用以太网作为现场总线，有多种开发工具、开发环境可供选择。

　　(2)成本低廉。由于以太网应用的广泛性，得到了硬件开发与生产商的高度重视与广泛支持。已有多种硬件产品可供用户选择，且价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的1/10，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。

　　(3)通信速率高。目前通信速率为l0Mb/s,100Mb/s的快速以太网已经广泛应用，1000Mb/s以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s以太网亦己推出。其速率可以满足对带宽的更高要求。

　　(4)软硬件资源丰富。由于以太网已应用多年，大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

　　(5)可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，由此也保证了以太网技术不断地持续向前发展。

　　因此，如果工业控制领域以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术发展的主流技术之外，从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入，这一点是任何现场总线技术所无法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通信协议有更高的灵活性，这些以太网都能很好的满足。

　　二、基于工业以太网的电厂综合自动化系统体系结构

　　现场总线本质上是一种控制网络，但与Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。为适应这种需要，现场总线标准仪表仅使用ISO/OSI7层模型中的3层:物理层、数据链路层和应用层。为使现场总线标准既是一种通信标准，又为一种系统标准，使FCS成为可操作系统，H1总线中增加了一个用户层，用户层为现场设备内部信息的存取及如何将信息传送给网内同一节点或不同节点作了定义。

　　IEC61158标准中的8种现场总线采用完全不同的通信协议，H1采用链路活动调节器方式和发布/预订接收通信模式;ControlNet使用并行时间域多路存取(CTDMA)方式和生产者/客户通信模式;Profibus是令牌环和主站/从站方式;P-Net采用虚拟令牌传递方式;HSE采用CSMA/CD方式，SwiftNet采用槽路时间片多路存取(STDMA)万式;WorldFIP使用总线裁决方式;Internet则采用整体帧协议方式。因此，要实现这些总线的集成，存在较大困难。

　　综合考虑企业范围内各种需求，结合IEC61158中几种典型现场总线标准的特点，基于以太网的电厂综合自动化系统结构可分为3层，从低到高分别为现场控制层、监控层和企业管理层，见图1。

　　(1)现场控制层由现场设备和控制网段组成。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，由带有功能块的现场总线设备完成对生产过程的控制。低速总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速总线HSE仅支持拓扑结构。H1和HSE总线用户层包括大量的功能块，可通过联结分布在各个现场设备中的功能块来实现控制系统结构设计。HSE和IEC61158中的其他几种总线，在底层主要表现为装置级总线，要达到多种总线标准共存，可在不同网络协议的现场总线之间加入协议转换器(网关)，识别并理解不同格式的数据包，并在不同的网络之间转发。

　　(2)监控层由高速以太网(HSE总线)以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站组成。现场控制层通过现场总线接口与监控层相连，监控站可以完成对控制系统的组态设计和下装，执行对控制系统的监视、操作、趋势分析、报警、维护及各种人机交互功能。监控层除了上述功能之外，还为实现先进控制和过程操作优化提供支撑环境。

　　(3)企业管理层由各种服务器和客户机组成，其主要目的是在分布式网络环境下，集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户就能随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在企业范围内实现底层测控信息的实时传递。另外，也可以通过租用DDN专线或利用公众数据网，实现在广域网范围内的远程监控。

　　在整个基于以太网总线的企业综合自动化系统中，现场控制层是整个系统的基础，只有确保该层安全、可靠地运行，上层网络才能获得信息，实现其监控功能。由于现场控制网络的确定性要求较高(一般要求网络的时间延迟小于2～4ms)，至今也没有一种底层总线在这方面更占优势，这也是总线标准难以统一，且现场总线方面的研究主要停留在底层的重要原因。从企业综合自动化系统的完整性角度看，现场控制层与监控层、企业管理层之间的数据传输与交互问题，即实现控制网络与信息网络的紧密集成问题也应是研究的重要课题。

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