工业操控网络技术革新：以太网技能的崛起与can总线工作原理的深度探究

在现代信息技能的发展历程中，传感器技能、通讯技能和计算机技能是三大基石。随着IT技术飞速发展和工业自动化对网络要求不断提升，工业控制网络承担了越来越重大的任务。与数据信息网络不同，工业控制领域需要一种高速、廉价、高实时性、开放性好、稳定性高且精确性的网络。以太网(Ethernet)技术支持所有类型的协议，因此在数据信息网络中得到广泛应用，其优势包括高速率、高能效、便于安装兼容性好等。此外，以太网具有敞开性能，使得工业控制网络和企业信息系统无缝集成。

工业控制网络之旅

工业控制系统经历了从基地式气动外壳到电动单元组合式模拟外壳，再到集散式数字化操控体系（DCS）、现场总线（Fieldbus）以及近期兴起的工业以太网（Industrial Ethernet）操控体系六个阶段。在早期基础上仅有单一回路驱动方法，没有互联能力，每个回路是一个独立岛屿，不属于联网范畴。

计算机引入后

计算机不仅处理数据，更重要的是可以直接根据输入值、进程变量及其他测量值进行操作变量输出给执行机构，从而实现更为复杂的操作思维。这就是我们所说的计算机会集操作系统（CCS）的概念。虽然会集型操作系统简化结构，但软件需求巨大且结构杂乱，这限制了其升级速度；由于多种设备需同时使用，可以数百个回路，使得实时性和可靠性难以保证。

DCS时代

七十年代出现第二代计算机操控体系—分散型操控系统（DCS），它体现了“集中调度分散执行”的思想。现在运用的DCS主要有环形结构、二叉树形结构等几种形式。但DCS存在一些问题：

结构复杂，有主从关系，现场设备之间通信依赖于中心节点。

仍然使用大量模拟信号，传输不稳定，不易数字化处理。

各厂家的规范不同，不开放通讯协议，对跨国公司扩张不利。

现场总线时代

为了克服DSC的问题，现场总线技巧应运而生，它进一步下放操作功能，将全数字化全分布式互联成为特点，是用于生产自动化最底层设备或环境互联的一种通信方式，对实现面向设备自动化体系起到了推动作用。

以太网技巧介入

为了解决以上问题，并满足现代企业对信息管理的一致要求，以TCP/IP协议为根基的工业以太网技巧逐渐成熟。这主要因为：

以太网传输速度快低功耗，便于安装兼容性好。

支持所有标准，所以在商业中广泛应用。

近年来因用户需求增加，对数据传输速度要求日益提高，以至于10M/100M快速以太网已开始普及，而千兆以太网也逐步成熟，并正在研发10G以太网，其速率远超现场总线。

工业以 太 网 技 巧 的 特 色 与 应 用 层 面 协 议

实时 性：尽管非实时，但通过优先级设置可以一定程度上改善实时性的不足。

适应力 & 可靠性：由于其规划初衷不是针对恶劣工况设计，因此在严峻条件下的可靠性能有待提高。

应用层面协议：需要界说适合工控范畴应用层面的规范，如PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP等，因现有的应用层协议并不完全适用于工厂环境中的实时通讯需求。

安全方面：考虑到可能存在火灾爆炸风险作业场所需注意安全问题，同时也要防止病毒黑客攻击等安全威胁。

解决方案与展望

交流式Ethernets已经被提出来改善负载较重时候发生拥塞的问题，全双工通信避免ESMA/CD中的碰撞，最多尝试16次重发。当出现掉线情况，即使只是一两秒钟，也可能导致出产停止乃至人身安全事故，这也是进入工控领域的一个关键瓶颈点。而对于适应力可靠性的提升，一些硬件设计如光纤连接可以提供更好的物理隔离减少干扰，还有一些软硬件结合解决方案如Redundancy策略可以提高整体故障恢复能力。此外，由于是基于TCP/IP标准，可以利用现有的许多工具与资源进行开发测试，从而降低成本加快项目进展。此类措施将继续推动 Industrial Ethernet 在未来成为更加完美的人类智能交汇点之一。