工业操控网络技术革新：以太网通讯协议的崛起与挑战

工业自动化网络的演进

工业自动化网络的发展是伴随着控制系统革新的自然结果。从传统的基站式气动外壳控制到模仿外壳电动单元组合式、集成式数字控制、分散式总线控制，再到近年来兴起的工业以太网控制体系，共经历了六个阶段。早期基础设施仅能对单一回路进行控制，每个回路都是一个独立信息孤岛，不属于现代意义上的网络。

随着计算机技术的突破，计算机被引入到了控制系统中，不仅能够处理数据，还能根据输入值和测量值运算输出，以实现高级操作。这就是我们所说的计算机集成于操控体系（CIS）中的操控思想。会合型操控由于其结构简单直接面向设备，但尚未形成复杂网络体系。尽管将计算机引入提高了某些高级操作功能，但随着生产过程复杂性的增加，软件方面需求巨大，而且结构杂乱不利于系统升级；多个回路需要集中管理，使得实时性和可靠性难以保证。

真正意义上的工业自动化网络是七十年代出现的一种第二代计算机集成装置（DCS），即涣散型操控体系，它结合了会合办理和涣散操控特点。在这种体系中，各个设备之间通过主机进行通讯，这导致主机会成为瓶颈点，一旦发生故障整个系统就会崩溃。此外，由于大量使用模拟信号，其稳定性差，对数字化处理不友好；且不同厂家制定的规范互不兼容，限制了跨国企业的大规模应用。

为了克服这些缺陷，便产生了现场总线技术，它进一步下放了调节功能，将现场总线变为全数字化、全分布式、互操作、高效开放通信方式。但现场总线也有自身的问题，如规范繁多用户选择困难，以及不同标准造成整体集成困难等。

工业以太网技能优势

工业以太网作为一种全开放，全数字化的人工智能技能，其特点如下：

以太网支持各种现行协议，因此不同的设备可以轻松连接。

它能够无缝连接工业自动化网络与企业信息网络，为企业提供了一体化解决方案。

硬件成本低廉，因为现有的软硬件都非常成熟，有众多选项供用户选择。

通信速度快，可满足快速增长的数据需求，即使包括视频数据在内，也有10M/100M高速以太网已经广泛应用，并且千兆及以上速度正在研发中，比现场总线更快。

可持续发展潜力巨大，在迅速变化的信息时代，该技能将继续发展，以适应不断增长和老练程度提升的事务需求。

工业以太网存在问题

3.1 实时性问题

在严苛要求下的实时性指的是响应时间，可以精确预知。在数十毫秒内更新数据对于工业来说至关重要。而非实时CSMA/CD介质访问方法可能导致重发尝试，最长16次，从而牺牲时间。此外掉线几秒钟就可能影响出产或安全事故，这不能满足实际要求，是进入工控范畴的一个关键挑战。

3.2 适应性与可靠性

原设计为商用环境，而非工厂环境，因而面临恶劣条件，如干扰等威胁其可靠性能。在实际应用中需考虑良好的恢复能力和维护性能，以防止任何部件故障导致整个系统崩溃或瘫痪。

3.3 应用层协议适应度不足

当前应用层协议并未针对现场设备间实时通讯进行优化，因此需要界定一致标准来解决这一问题。

实质安全与安全风险

在危险作业场所使用工业以太网必须考虑到实质安全问题。而由于采用TCP/IP协议，同时也暴露于病毒侵害及黑客攻击等隐患之下需加强保护措施。