工业以太网技术的现状与发展
一、 工业网络长期争论的根源
工业控制网络过分强调其可靠性、安全性和实时性等，忽略了与信息技术的充分融合，因此其进展缓慢。
将计算机网络技术的应用分为三大领域，即邮电通信网络（Telecommunication Network）、计算机网络通信（IT Network）、以及用于工业自动化控制系统的工业控制网络（Indusreial Control Network）。在上述各个应用领域、计算机网络技术根据用户需求都发展得十分迅速。但是，近10多年来由于Etherent和Internet网络技术的迅猛发展，促使用于邮电通信的网络正在与IT信息网络“合二为一”。Etherent从最初的10Mb/s以太网，过渡到100Mb/s快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网和光纤以太网。可以说，开放的Etherent是多年来发展最成功的网络技术。同时，随着TCP/IP协议的广泛使用，使网络互连技术发展到了一个新阶段，Internet成为全球最具影响力的计算机互联网，向用户和服务开放的Etherent TCP/IP协议基本上成为事实上的统一规范。
然而，工业自动化领域的工业控制网络进展却比较缓慢。这是因为工业自动化控制系统特别强调其可靠性、安全性和实时性，因而用于测量和控制的数据通信不同于以传递信息为主要目标的邮电通信，也不同于一般IT技术的计算机网络通信，工业控制网络传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的。用于测量和控制的数据通信还要求具有如下主要特点：允许对事件进行实时响应的事件驱动通信，很高的可用性；很高的数据完整性；以及在有电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作，并且能使用工厂内的专用传输线等。其中，工业控制网络的实时性和通信的确定性要求比较苛刻，响应时间通常为0.01～0.1s。为满足上述特殊要求，从事工业控制网络开发和生产的供应商一直认为办公自动化用的IT网络不适用于工厂自动化，必须制定工业控制系统用的网络通信协议，并研制具有专用权的工业控制网络（Proprietary Network）。从而，凡是大的工业自动化系统公司都制定专用的工业通信网络协议，各大公司的工业控制网络相互之间很难兼容，这种情况从客观上保护了供应商的投资利益，但大大增加了用户的投资成本，并严重阻碍了工业控制网络技术的发展。正是在这种背景下，出现了多种现场总线并存的局面，尽管国际电工委员会十分重视现场总线标准的制定，争取在新一代控制系统中取得基本统一，但由于涉及到市场利益的冲突，遇到了来自各大公司的阻力。最终没有能够完成预定目标。经过了长达15年之久的制定工作，有10种类型总线成为国际电工委员会IEC 61158现场总线技术标准，现场总线的争论也到此告一段落。
由此可见，工业控制网络由于过分强调了工业自动化控制的特殊性，忽视了与信息技术的结合，没有能充分采用信息网络最新技术中适用于工业控制系统的技术成果，因而导致工业控制网络未能与信息网络同步发展。
二 、 信息技术全面进入工业自动化系统
鉴于工业以太网的快速发展和关键问题的突破，使得工业自动化领域控制级以上的通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向下逐步延伸。
10年前，微电子、计算机网络与信息技术的融合，首先完成了办公环境的革命。随后，由办公室世界导出的信息技术，如以个人PC为基础的共存标准、OPC接口技术、互联网技术及其工具（如HTTP和XML等）、以及电子商务技术等都以快速和更新的势头迅速发展，同时开始向各个领域急速渗透。最近几年，随着关键技术的突破，信息技术将全面进入工业自动化领域，工业自动化系统的各个层面都会受到IT技术的冲击。
过去一直认为，作为信息技术基础的Etherent是为IT领域应用而开发的，在工业自动化领域只能得到有限应用，这是由于：
1) Etherent采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重时，网络的确定性（Determinism）不能满足工业控制的实时要求；
2) Etherent所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计，不符合工业现场恶劣环境要求；
3) 在工程环境中，Etherent抗干扰（EMI）性能较差。若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；
4) Etherent网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
随着信息网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为促进Etherent在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（Industrial Etherent Association，IEA），并与美国ARC Advisory Group、AMP Research研究中心和Gartner Group等机构合作开展工业以太网关键技术的研究。
为使网络在无间断工业应用领域中极端恶劣条件下能稳定地工作，美国Synergetic Micro System公司和德国Hirschmann公司专门开发和生产导轨式收发器、集线器和交换机系列，他们安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电；接插件采用牢固的DB-9结构。Woodhead Connectivity公司以研制成特殊封装的工业以太网接插件RJ—LnxxIP67，能与RJ—45商用接插件和其他工业以太网产品一起使用。美国NET Silicon公司研制的工业以太网通信接口芯片，每片价格已降至10美元左右，与各种现场总线芯片相比，具有极大价格优势。
鉴于工业以太网的快速发展和关键问题的突破，使得工业自动化领域控制级以上的通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。工业以太网技术在加快推广应用，使用哪种工业以太网协议规范作为标准提到了议事日程。在工业控制领域，以太网技术的发展不可能脱离原来的DCS、PLC和FCS控制与管理系统基础，各国的工业自动化系统公司为了保护已有的投资利益和扩大自己产品的应用范围，纷纷提出工业以太网技术方案，从而出现了现场总线在转向工业以太网的同时，又将现场总线之争让路给工业以太网的局面。
三、 工业以太网的4个竞争者目前，工业以太网协议主要有4个主要竞争者：Modbus/TCP（Modbus protocol on TCP/IP）工业以太网、Etherent/IP（the Control Net/DeviceNet objects in TCP/IP）工业以太网、Foundation Fieldbus HSE（High Speed Etherent）工业以太网和PROFInet（Profibus on Etherent）工业以太网。
四、 工业以太网今后的发展
要实现一个统一的、具可操作性的工业以太网，还有相当长的路要走。
从以上的讨论不难看出，大的自动化系统公司都把工业以太网使用在控制级及其以上的各级，为保护投资者利益，现场级仍采用现有现场总线，Modbus TCP/IP使用Modbus总线，Etherent/IP使用DeviceNet和ControlNet现场总线，FF HSE现场级FF H1现场总线，PROFlnet则完全保留已有的Profibus现场总线。这样一来，要使这些系统相互兼容看来需要走相当长的路。
互联网技术的成功之处在于使用了TCP/IP网络协议，该协议的特点是：开放的协议标准，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件；统一的网络地址分配方案；以及标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。
TCT/IP参考模型与ISO OSI参考模型的对应关系如图所示，由于工业网络需要解决工业控制具体问题，因而需要增加用户层，所以说工业TCP/IP参考模型是8层结构。在TCP/IP参考模型中，主机一网络层是最低层，它负责通过网络发送和接收IP数据包，TCP/IP参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，充分体现了TCP/IP协议的兼容性与适应性。利用这种技术，各种协议的现场总线都可以接入TCP/IP网络，IP互联连层相当于OSI模型的网络层的无连接网络服务，用来确定信息传输路线，为每个数据包提供独立的寻址能力；TCP传输层负责无差错的传送数据包，一旦出错能够实现重发和指示出错。
在TCP/IP参考模型中，应用层是高层协议，它包括超级文本传输协议HTTP，文件传协议FTP、简单网络管理协议SNMP等建立于IT技术的协议。对于工业以太网，在传输非实时数据时，上述协议仍然适用。但是，工业以太网要用于工业控制，还必须在应用层解决实时通信，用于系统组态的对象和工程模型的应用协议。目前，要建立一个统一的应用层和用户层标准协议还只是一个长远的目标。
近来，随着网络通信技术的进一步发展，用户的需求也日益迫切，国际上许多标准化组织正在积极地工作以建立一个工业以太网的应用协议。工业自动化开放网络联盟（Industrial Automation Open Network Alliance，IAONA）和协同ODVA和分散自动化集团（Interface for Distributed Automation，IDA）共同开展工作，并对推进基于Etherent TCP/IP工作以太网的通信技术达成共识。由IAONA负责定义工业以太网公共的功能和互操作性，具体内容包括对于IP地址即插即用互操作的通用策略、装置描述和恢复机制、网络诊断的方案；指导使用Web技术；一致性测试；以及定义一种应用接口，以消除各种协议间的差异。我们相信，经过各方面的共同目力，不久的将来就会出现一个具有互操作性的工业以太网。