珠海西门子中国授权代理商触摸屏供应商

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绞线、光纤等，使用标准以太网连接设备（如交换机等），采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组；底层采用现场总线的应用层、用户层协议； 兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等。本文提供了一种运用TCPIP协议模块和SPC3协议模块来实现工业以太网与Profibus现场总线相结合的方案，其中以太网络部分采用精简的由8位MCU实现的TCP/IP协议栈加网络控制方式从而实现了一种工业以太网络与PROFIBUS-DP现场总线之间的数据交换，为工业企业实现管控一体化提供了一种灵活的组网方式。

2   系统组成
   系统主要由SPC3智能通信模块、TCP/IP协议模块、双口RAM和双 CPU组成。当实现远程控制时，TCP/IP协议模块负责将从以太网接受到的数据帧解包后送到双口RAM，SPC3通信模块再把从双口RAM中取出的数据打包后通过RJ485接口送到Profibus现场总线上去。当实现远程监察功能时，SPC3智能通信模块把从PROFIBUS现场总线接受到的数据解包后送到双口RAM中,TCP/IP协议模块再把双口RAM中的数据取出打包后送到以太网。系统硬件结构平台如图1所示。

 
  图 1 系统组成原理框图

3 TCPIP协议实现

3.1  实现方法
    TCPIP协议模块由8位MCU和精简TCP/IP协议栈组成。这里TCPIP协议采用一种简化的四层模型, 分别为应用层、传输层、网络层、链路层。应用层(以及用户层)采用用户自定义应用层。传输层让网络程序通过明确定义的网络连接的端口号(例1025端口)数据，实现该层协议的是传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。网络层让信息可以发送到相邻的TCPIP网络上的任一主机上，IP协议就是层中传送数据的机制，同时为建立网络间的互连，提供了ARP、解析协议，从而实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。链路层由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层协议的协议并不属于TCPIP协议组，链路层部分由RTL8019AS完成[1]。
3.2  硬件电路
    TCP/IP协议模块硬件电路如图2所示。双口RAM芯片IDT7130用于TCP/IP模块与SPC3模块的数据交换；使用X5045作为闪盘存储 地址、Ip地址、子网掩码和网关；使用可编程逻辑器件GAL16V8芯片作为译码器，A9到A15七个状态通过GAL16V8编程，经8-3编码，送到外部数据存储器和RTL8019AS以太网控制器的片选端。以太网协议由8019AS芯片硬件自动完成，对程序员透明。驱动程序有3 种功能：芯片初始化、收包、发包。按数据链路的不同，可以将RTL8019AS内部划分为远程DMA（remote DMA）通道和本地DMA（local DMA）通道两个部分。本地DMA完成控制器与网线的数据交换，主处理器收发数据只需对远程DMA操作。当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令。RTL8019AS在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。

图 2  TCP/IP模块硬件电路

3.3  数据的收发
    程序开始执行后,初始状态字为命令输入状态字,从串口缓冲区读1字节数据,如果接受缓冲区为空,则状态字设置为命令执行状态字,从而进入TCP命令处理程序，把要发送的数据封装成TCP包后发包至缓冲区；如果接受缓冲区不为空的话，则进入主循环进行收发包处理过程，主程序流程图如图3所示。 

图 3 主程序流程

    在进入主循环后，将进行收发包处理，对发包缓冲区进行发送处理,要传输的Internet数据包在以太网控制器的发送缓冲区中被构建，它使用近接收到的数据包的目的以太网地址作为数据包的目的地址。实际发送前，ARP协议将将检查发送数据包的IP地址是否存在于ARP内核中并做相应处理，8019AS发包函数send_packet()将完成后数据包到以太网的传送。然后8019AS的收包函数recv_packet()将进行收包处理,接受的数据包放到rxdnet指向的缓冲区中。如果rxdnet.etherframe.protocal等于0x0806,则表示收到的是一个arp请求包,并根据rxdnet.arpframe.operation的数值判断是做arp应答处理还是做arp应答。如果rxdnet.etherframe.protocal等于0x0800,则表示收到一个ip包,rxdnet.ipframe.protocal等于6时表示数据包的传输层是tcp协议,从而进入TCP处理进程。rxdnet.ipframe.protocal等于0x11,表示数据包的传输层是udp协议,从而进入udp处理进程。收发包处理流程如图4所示[2]。 

 
图 4 收发包处理流程

4   Profibus-DP实现
    SPC3协议模块主要包括89C52单片机和协议芯片SPC3。SPC3可立完成全部Profibus-DP通信功能，数据输入和输出处理（输入输出相对于主站而言）以及用户诊断数据输入可以放在应用程序循环中。用户可以通过查询输入输出及诊断事务的处理。DPS2_POLL_IND_xx宏支持读取单个事件信息，查询方式也可被DPS2_IND_CONFIRM宏并确认。在一个应用程序循环中读入数据，且由应用来刷新输入缓冲区中的数据，所有的输入数据是新新的数据。而SPC3在接收到由PROFIBUS主站传送的不同输出数据时，会产生输出标志位（位于中断请求字单元），CPU通过在应用循环中查询标志位来进行接收主站数据。对于实时性要求严格的系统，应采用中断方式进行输出数据的处理。主程序利用开发包中的DPS2对SPC3进行初始化，并允许外部中断INT0，设置INT0为及开中断，然后启动SPC3，通过SPC3进行主站和从站的数据交换以及处理诊断[3]。
4.1  数据的接收
    主站和SPC3通过默认的服务访问点交换数据，在此过程中SPC3需要完成的任务主要包括以下三点： SPC3将输出数据写入D缓冲区中，且交换D和N缓冲区中的数据；产生DX-Out中断；用户通过交换N和U缓冲区中的数据，从U缓冲区中输出数据。其中步由SPC3自动完成，用DPS2_POLL_IND_DX_OUT()读SPC3的中断请求寄存器查询中断事件。当为真时，表示SPC3接收到Write_Read_Data报文，并使N缓冲区中的输出数据有效。用宏DPS2_OUTPUT_UPDATE()新输出缓冲区，即将N缓冲区中的数据送到U缓冲区中。输出数据中并不包括输出数据的长度，但和DPS2_SET_IO_DATA_LEN()定义的数据长度一致，当长度不一致时，从站将会返回到等待参数赋值状态，输出数据缓冲区的长度在初始化部分程序中。
if (DPS2_POLL_IND_DX_OUT()) /* 判断是否有新的输出数据 */
{
DPS2_CON_IND_DX_OUT();/*中断确认对SPC3的中断响应寄存器写操作*/
user_output_buffer_ptr = DPS2_OUTPUT_UPDATE();/* 实际输出数据指针*/
for (i=0; i<user_io_data_len_ptr->outp_data_len; i++)
{
 (*((io_byte_ptr) + i)) = (*(((UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_output_buffer_ptr) + i));
  }
}
4.2  数据的发送[4]
    在输入数据传送前，用户主程序要宏DPS2_GET_DIN_BUF_PTR()输入缓冲区的指针，用宏DPS2_bbbbb_UPDATE()用户可以重复地将输入数据从用户端传送到DPS2，并可用的输入缓冲区指针，用于接收新的输入数据。输入数据中并不包括输入数据的长度，但输入数据和DPS2_SET_IO_DATA_LEN()定义的长度一致。处理输入数据，将输入数据从外设写入缓冲区程序如下。
for (i=0; i<user_io_data_len_ptr->inp_data_len; i++)
{
*(((UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_bbbbb_buffer_ptr) + i) = *((io_byte_ptr) + i);
}
user_bbbbb_buffer_ptr = DPS2_bbbbb_UPDATE();
5   结束语
  以太网与Profibus-DP现场总线数据交换是工业现场经常遇到的问题。本文所采用的简化TCP/IP协议栈+8位MCU与89C52单片机+协议芯片组成的数据交换系统具有价格低廉、易于实现和易于普及等优点。测试表明数据交换过程具有良好的性和实时性，可以满足实际现场以太网与PROFIBUS现场总线之间数据交换的要求，从而为工业企业实现管控一体化提供了一种灵活的组网方式。

实时性要求高，网络传输要有确定性。

（2）整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的工业以太网专题">工业以太网以及现场设备层（如现场总线）。管理层通用以太网可以与控制层的工业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信。

（3）工业以太网专题">工业以太网中周期与非周期信息同时存在，各自有不同的要求。周期信息的传输通常具有顺序性要求，而非周期信息有级要求，如报警信息是需要立即响应的。

（4）工业以太网专题">工业以太网要为紧要提供限度的性能保服务，同时也要为非紧要提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协议。

基于以上特点，有如下应用要求：

（1）工业以太网专题">工业以太网应该保证实时性不会被破坏，在商业应用中，对实时性的要求基本不涉及，而过程控制对实时性的要求是硬性的，常常涉及生产设备和人员。

（2）当今世界舞台，各种竞争异常激烈。对于很多企业尤其是掌握技术的企业，作为其技术实际体现的生产工艺往往是企业的根本利益。一些关键生产过程的流程工艺乃至运行参数都有可能成为对手的目标。所以在工业以太网专题">工业以太网的中要防止数据被。

（3）开放互联是工业以太网专题">工业以太网的优势，远程的监视、控制、调试、诊断等大的增强了控制的分布性、灵活性，了时空的限制，但是对于这些应用保证经过授权的合法性和可审查性。

2 工业以太网专题">工业以太网的应用问题分析

（1）在传统工业工业以太网专题">工业以太网中上下网段使用不同的协议无法互操作，所以使用一层防火墙防止来自外部的非法访问，但工业以太网将控制层和管理层连接起来，上下网段使用相同的协议，具有互操作性，所以使用两级防火墙，二级的防火墙用于屏蔽内部网络的非法访问和分配不同权限合法用户的不同授权。另外还可用根据日志记录调整过滤和登录策略。

 要采取严格的权限管理措施，可以根据部门分配权限，也可以根据操作分配权限。由于工厂应用性很强，进行权限管理能有效避免非授权操作。同时要对关键性工作站的操作系统的访问加以限制，采用内置的设备管理系统拥有记录审查功能，数据库自动设备参数修改事件：谁修改，修改的理由，修改之前和之后的参数，从而可以有据可查。

（2）在工业以太网专题">工业以太网的应用中可以采用加密的方式来防止关键信息。目前主要存在两种密码体制：对称密码体制和非对称密码体制。对称密码体制中加密解密双方使用相同的密钥且密钥保密，由于在通信之前完成密钥的分发，该体制中这一环节是不的。所以采用非对称密码体制，由于工业以太网发送的多为周期性的短信息，所以采用这种加密方式还是比较的。对于工业以太网来说是可行的。还要对外部节点的接入加以防范。

（3）工业以太网专题">工业以太网的实时性目前主要是由以下几点保证：限制工业以太网的通信负荷，采用100M的快速以太网技术提高带宽，采用交换式以太网技术和全双工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD机制。随着网络的开放互连和自动化系统大量IT技术的引入，加上TCP/IP协议本身的开放性和层出不穷的网络病毒和攻击手段，网络可以成为影响工业以太网实时性的一个问题。

1）病毒攻击。在互联网上充斥着类似Slammer、“冲击波”等蠕虫病毒和其它网络病毒的袭击。以蠕虫病毒为例，这些蠕虫病毒攻击的直接目标虽然通常是信息层网络的PC机务器，但是攻击是通过网络进行的，因此当这些蠕虫病毒大规模爆发时，交换机、路由器会受到牵连。用户只有通过重启交换路由设备、重新配置访问控制列表才能蠕虫病毒对网络设备造成的影响。蠕虫病毒攻击能够导致整个网络的路由震荡，这样可能使上层的信息层网络部分流入工业以太网专题">工业以太网，加大了它的通信负荷，影响其实时性。在控制层也存在不少计算机终端连接在工业以太网交换机，一旦终端感染病毒，病毒发作即使不能造成网络瘫痪，也可能会消耗带宽和交换机资源。

2） 攻击。工业以太网专题">工业以太网交换机通常是二层交换机，而地址是二层交换机工作的基础，网络依赖地址保数据的正常转发。的二层地址表在一定时间以后（AGE TIME）会发生新。如果某端口一直没有收到源为某一地址的数据包，那么该地址和该端口的映射关系就会失效。这时，交换机收到目的地址为该地址的数据包就会进行泛洪处理，对交换机的整体性能造成影响，能导致交换机的查表速度下降。而且，如攻击者生成大量数据包，数据包的源地址都不相同，就会充满交换机的地址表空间，导致真正的数据流到达交换机时被泛洪出去。这种通过复杂攻击和欺骗交换机入侵网络方式，近来已有不少实例。一旦表中地址与网络段之间的映射信息被破坏，迫使交换机转储自己的地址表，开始失效恢复，交换机就会停止网络传输过滤，它的作用就类似共享介质设备或集线器，CSMA/CD机制将重新作用从而影响工业以太网的实时性。

 目前信息层网络采用的交换机技术主要包括以下几种。流量控制技术 ，把流经端口的异常流量限制在一定的范围内。访问控制列表(ACL)技术 ，ACL通过对网络资源进行访问输入和输出控制，确保网络设备不被非法访问或被用作攻击跳板。 套接层(SSL) 为所有 HTTP流量加密，允许访问交换机上基于浏览器的管理 GUI。802.1x和RADIUS 网络登录 控制基于端口的访问，以进行验证和责任明晰。源端口过滤只允许端口进行相互通信。Secure Shell (SSHv1/SSHv2) 加密传输所有的数据，确保IP网络上的CLI远程访问。FTP 实现与交换机之间的文件传输，避免不需要的文件下载或未授权的交换机配置文件复制。不过，应用这些功能仍然存在很多实际问题，例如交换机的流量控制功能只能对经过端口的各类流量进行简单的速率限制，将广播、组播的异常流量限制在一定的范围内，而无法区分哪些是正常流量，哪些是异常流量。同时，如何设定一个合适的阈值也比较困难。一些交换机具有ACL，但如果ASIC支持的ACL少仍旧没有用。一般交换机还不能对非法的ARP（源目的为广播地址）进行特殊处理。网络中是否会出现路由欺诈、生成树欺诈的攻击、802.1x的DoS攻击、对交换机网管系统的DoS攻击等，都是交换机面临的潜在威胁。

在控制层，工业以太网专题">工业以太网交换机，一方面可以借鉴这些技术，但是也意识到工业以太网交换机主要用于数据包的快速转发，强调转发性能以提高实时性。应用这些技术时将面临实时性和成本的很大困难，目前工业以太网的应用和设计主要是基于工程实践和经验，网络上主要是控制系统与操作站、优化系统工作站、控制工作站、数据库服务器等设备之间的，网络负荷平稳，具有一定的周期性。但是，随着系统集成和扩展的需要、IT技术在自动化系统组件的大力应用、B/S监控方式的普及等等，对网络因素下的可用性研究已经十分必要，例如猝发流量下的工业以太网交换机的缓冲区容量问题以及从全双工交换方式转变成共享方式对已有网络能的影响。所以，另一方面，工业以太网从自身体系结构入手，加以应对。

3 结语

工业以太网专题">工业以太网应用的问题与商用的信息网络相比，既有共性又有明显的差异，在信息网络上运用很成熟的技术和理念没有考虑工业生产特点，很多不能直接应用于工业以太网。在工业以太网应用时，不能只按控制逻辑和网络能来考虑，还要考虑上述因素。

随着以太网技术的发展及其在商用领域的应用日渐广泛，越来越多的工业控制设备也逐渐使用以太网并采用ＴＣＰ／ＩＰ协议作为主要的通信标准。虽然应用于工业控制领域的以太网标准与商用以太网相同，但在工业控制领域，还需要网络能在比较恶劣的工作环境下稳定地工作。因此，用来连接工业设备的网络产品需要经过特别设计，才能提供工业级的性，以满足长期连续运行的需求。另外，在工业控制领域，所需连接的设备分布较分散，单个地方连接设备少，这就对支持光纤冗余环路的８端口的光纤网络交换机产品有了较大需求。为了实现光纤冗余环路功能，需要采用的微处理器实现网络的管理和控制功能，并采用的网络交换芯片实现基本的１０／１００Ｍ以太网交换功能。 

    下面主要介绍ＣＰＵ采用３２位ＡＲＭ内核微处理器、具有６个１０／１００Ｍ双绞线端口和两个１００Ｍ光纤端口、可实现冗余环路功能的工业以太网专题">工业以太网交换机的软、硬件设计思路。

１ 硬件设计

    光纤环路工业以太网专题">工业以太网交换机硬件主要分成两个模块：ＣＰＵ模块和交换模块。下面分别对这两个模块进行详细介绍。

１．１ ＣＰＵ模块

    ＣＰＵ模块又可以划分为两部分，即电源部分和ＣＰＵ及外围电路部分，原理框图见图１。

    ＭＡＸ７８８是开关稳压管，该稳压管的输出电压为３．３Ｖ，输出大电流为５Ａ，输入电压范围为８Ｖ～４０Ｖ，内部开关频率为１００ｋＨｚ。

    交换机的ＣＰＵ选用Ａｔｍｅｌ公司的３２位ＡＲＭ内核微处理器芯片ＡＴ９１Ｍ４０８００，ＲＡＭ采用高速２５６Ｋ×１６位的ＳＲＡＭ ＣＹ７Ｃ１０４１ＢＶ３３。

    ＦＬＡＳＨ存储器２９Ｗ４００用来保存程序和一些配置信息，它的容量为２５６Ｋ×１６位。ＡＴ９１Ｍ４０８００的串口扩展一个ＲＳ－２３２接口，ＰＣ机通过ＲＳ－２３２口直接对交换机进行一些管理和设置。ＭＡＸ８２３是一个带ＷＡＴＣＨＤＯＧ功能的电源监视芯片，提供的复位信号。

    ＣＰＵ模块和交换模块之间通过４０芯的插座进行连接，主要对交换芯片实现寄存器设置和网络数据读写功能。ＪＴＡＧ端口实现对ＡＴ９１Ｍ４０８００的实时和将程序下载到ＦＬＡＳＨ存储器中。

１．２ 交换模块

     交换模块主要由ＭＡＣ层主交换芯片ＶＴ６５１０Ｂ和物理层芯片ＲＴＬ８２０８组成。主交换芯片采用ＶＩＡ公司生产的ＶＴ６５１０Ｂ，该芯片有９个１０／１００Ｍ端口和１个１Ｇ端口，内嵌３８４ＫＢ的控制ＲＡＭ和包交换缓冲ＲＡＭ，可以实现完整的交换功能；另外提供主机接口，以便外部ＣＰＵ对本交换芯片进行初始化和管理。

    ８个１０／１００Ｍ端口通过ＲＭＩＩ接口与Ｒｅａｌｔｅｋ公司生产的物理层芯片ＲＴＬ８２０８连接。ＲＴＬ８２０８芯片共集成了８个物理层的端口，这８个端口可以配置成采用１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ（双绞线接口）或１００ＢＡＳＥ－ＦＸ（光纤接口）。本系统采用了６个１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ端口和两个１００ＢＡＳＥ－ＦＸ端口。６个１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ端口需要通过隔离变压器ＨＲ６０４００９与ＲＪ－４５接口连接，ＨＲ６０４００９是一个提供４路ＲＪ－４５接口的隔离变压器。两个１００ＢＡＳＥ－ＦＸ端口可以直接与光纤收发器Ｖ２３８２６连接，该收发器提供单模ＳＣ接口。

    另外，物理层芯片ＲＴＬ８２０８可以通过串行移位寄存器７４ＨＣ１６４外接ＬＥＤ发光管显示每个网络端口的状态。

    由于ＶＴ６５１０Ｂ和ＲＴＬ８２０８的工作电压是２．５Ｖ，所以还要采用低压降的稳压芯片ＭＡＸ１８１８把３．３Ｖ的电压降到２．５Ｖ。

交换模块的原理框图见图２。

２ 软件设计

    本交换机软件设计的主要任务是对交换芯片ＶＴ６５１０Ｂ的寄存器进行设置，使之能实现基本的交换功能；另外可以由上位机通过ＲＳ－２３２口或交换机上的网络端口对本交换机进行设置，实现网络端口的状态监视、冗余环路、虚拟局域网等各项管理功能。

    根据产品的设计要求，交换机的软件可以划分为以下几部分：

（１）初始化

    主要完成对ＣＰＵ各寄存器的初始值设置和对交换芯片的各个寄存器的初始值设置，启动交换机开始工作。

（２）网络协议

    实现８０２．１ｄ、８０２．１ｗ、８０２．１ｑ以及ＰＩＮＧ、ＡＲＰ、ＢＯＯＴＰ、ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ等网络协议。

（３）网络管理及功能设置

    通过ＲＳ－２３２口实现对交换机一些基本参数的设置和状态监视。另外在实现上述网络协议的基础上，也可以直接通过网络实现对交换机的参数设置和实时状态监视。

（４）故障诊断及冗余环路实现

    实现对电源及交换机其它部件的故障自诊断和报警，按照所设定的冗余环路实现协议和策略，监视网络当前连接状态并实现网络的自愈功能。

     由于工业以太网专题">工业以太网交换机与通常的商用交换机有很多的共同点，又有一些不同点，因此在设计时借鉴了商用以太网交换机的原理，同时又兼顾到了工业以太网设备的特点。本设计选用了功能较强的交换芯片、网络物理层芯片和收发接口电路，并采用了基于ＡＲＭ内核的３２位嵌入式处理器来实现交换机的网络功能。

  图1 分子结构式示意图

2  工业以太网专题">工业以太网的技术特点
    工业以太网专题">工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、性、抗干扰性甚至本质等方面能满足工业现场的需要。
2.1 实时性和确定性
    随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。，以太网的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使以太网通信确定性和实时性大大提高。
2.2 稳定性和性
    以太网进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高性要求的恶劣工业现场环境中。
    随着网络技术的发展，上述问题正在得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了机架导轨式集线器、交换机产品，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。闽台四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工业以太网专题">工业以太网产品—MOXA EtherDevice Server（工业以太网设备服务器），特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备（如 PLC、HMI、DCS系统等）。
    近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和性。
2.3 工业以太网专题">工业以太网协议
    由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。
    对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层，而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP（传输控制/网间）协议为主（已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准）。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP（文件传送协议）、bbbnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、HTTP（WWW协议）、SNMP（简单网络管理协议）等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。
    为满足工业现场控制系统的应用要求,在Ethernet+TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了工业以太网专题">工业以太网协议。

3  基于TCP/IP的以太网在工业控制领域的应用
3.1 基于TCP/IP的以太网
    Ethernet仅仅只有物理层和链路层规范，它通常与TCP/IP等平台无关的协议结合应用。我们所指的Ethernet实际上是指基于TCP/IP协议的Ethernet，即Ethernet/IP。Ethernet/IP(Ethernet Industrial Protocol)是以太网工业协议的缩写，它是罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)公司推出的一种开放的工业联网标准。
    现在罗克韦尔自动化网络一般采用三层网络结构，即设备层、控制层和信息层的体系。在这个体系中,数据可以双向流通、层与层之间可以交换数据,对某一具体应用可以选择其中某层或某几层,而且每层之间可能存在层叠。其目的是,采用一个开放的、扁平的、满足系统需求的、降低整体系统费用的（包括提高网络/设备诊断能力、减少接线、安装、系统调试时间，提高纠错能力）的网络体系,如图1所示。

图1  罗克韦尔自动化网络三层体系机构

3.2 应用案例
    广州市自来水公司西洲水厂的PLC系统就是采用罗克韦尔公司的PLC系统。西洲水厂的取水泵站是在远离厂区的东江下游的刘屋洲岛上，与西洲水厂相隔十几公里远。为了生产调度的需要，刘屋洲取水泵站的PLC系统与西洲水厂的PLC系统通信，但却没有过江的通信电缆与外部联系。因此刘屋洲取水泵站通过微波通信与西洲水厂组成无线以太网网络。这个无线以太网实现两大功能，一是PLC系统之间的工业以太网专题">工业以太网通信，用于传送实时生产数据，二是生产调度通讯，用于传送生产监控图像和IP电话数据。在西洲水厂不但可以详细了解刘屋洲取水泵站的实时生产数据，而且可以收到刘屋洲取水泵站的实时图像。西洲水厂值班人员还可以与新塘水厂和刘屋洲取水泵站的值班人员利用IP电话进行通话，传达生产调度的命令。这个无线以太网的网络结构如图2所示。

图2  西洲水厂无线以太网络结构图

4  工业以太网专题">工业以太网发展趋势和前景
    目前以太网已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。未来工业以太网专题">工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。
    由于工业以太网专题">工业以太网技术展示出来“一网到底”的工业控制信息化美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术