工业以太网的优点:
(1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连具有互操作性；
(2）可实现远程访问，远程诊断；

（3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等；
（4）网络速度快，可达千兆甚至更快；
（5）支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地；
（6）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系；
（7）可降低投资成本。
工业以太网的缺点：
1）以太网的媒体访问方式CSDA／CD不能保证网络传输的确定性，也就是说以太网并不具有实时性，在负荷很重时网络的传输效率很低，商业以太网一般的传输时延为20~ 30 ms，这一速度在某些工业场合是不可接受的。
2)以太网所用的接插件、集线器、交换机和传输介质等设备不能满足工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差，且不具有本质安全性能，不能应用于危险场合。
3)以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
但是，上述问题也基本上得到了解决。这些问题的解决为以太网进人工业控制领域铺平了道路，使得近年来自动化系统中应用以太网变得十分热门。
现场总线通信的优点
(1)使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信；取代每个传感器到控制器的单独布线，节约了费用。
(2)现场总线提高了控制精度，提供了控制装置与传感器、执行器之间的双向通道，方便了操作员与被控设备之间的交互。 (3)现场总线的开放性将使用户有对备仪表产品的选择变多。
现场总线缺点
现场总线没有统一的国际标准，因此系统研发困难，开放性受限。各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准，要构成一个系统，必须采用相应的平台，过高的成本使现场总线的开放性受限。

1 引言
用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。
现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。同时现场总线的传输速率也远远不如工业以太网传输速率快。
2 以太网与工业以太网
2.1 什么是以太网与工业以太网
以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。
普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。
2.2 以太网具有的优点
（1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽；
（2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界；
（3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
（4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；
（5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
（6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。
2.3 工业以太网的优点
（1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连具有互操作性；
（2）可实现远程访问，远程诊断；
（3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等；
（4）网络速度快，可达千兆甚至更快；
（5）支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地；
（6）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系；
（7）可降低投资成本。
3 主流应用层协议‐工业以太网协议
由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定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与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有MODBUS/TCP,HSE, EtherNet/IP, ProfiNet 等。
MODBUS/TCP协议是法国施耐德公司1999年公布的协议，以一种非常简单的方式将MODBUS帧嵌入到TCP帧中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼叫/应答的机制与MODBUS的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。施耐德公司已经为MODBUS注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌人Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。已是中国国家标准，《基于Modbus协议的工业自动化网络规范 第3部分:Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》标准号为：GB/Z 19582.3‐2004
HSE是基金会现场总线FF于2000年发布的工业Ethernet规范，是以太网协议IEEE802.3,TCP/IP协议族和FF H1的结合体。FF现场总线基金会将HSE定位于实现控制网络与Internet的集成。由HSE连接设备将H1网段信息传送到以太网的主干网上，这些信息可以通过互连网送到主控室，并进一步送到企业的EPP和管理系统。操作员可以在主控室直接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。
EtherNet/IP是美国罗克韦尔公司于2000年发布的工业Ethernet规范，它很好地采用了当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。IP代表Industrial Protocol,以此来与普通的以太网进行区分。它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效的方法，允许工业现场设备交换实时性强的数据。EtherNet/IP模型由IEEE802. 3标准的物理层和数据链路层、以太网TCP/IP协议和控制与信息协议CIP三部分组成。CIP是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连接的协议，CIP有两个主要目的，一是传输同1/O设备相联系的面向控制的数据，二是传输其它同被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。CIP协议规范主要由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表、信息管理等组成。
ProfiNet是德国西门子公司于2001年发布的工业Ethernet的规范。该规范主要包括三方面的内容:1）基于组件对象模型（COM）的分布式自动化系统;2）规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间开放透明通信;3）提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。ProfiNet的基础是组件技术，在ProfiNet中，每一个设备都被看成一个具有COM接口的自动化设备，同类设备都有相同的COM接口。在系统中可以通过调用COM接口来调用设备功能。组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间可以混合使用，简化了编程。每一个智能设备都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程来实现。同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口。为不同厂家的设备之间提供了良好的互换性和互操作性。已是中国国家标准指导性标准，标准号：《国家标准化指导性技术文件GB/Z 20541‐2006 PROFINET规范》
我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准EPA在国际标准化工作中取得了重大突破，已通过IEC/SC65C会员国家的投票被IEC发布为IEC/PAS 62409标准化文件作为第10类型列入实时以太网国际标准IEC 61784‐2 并将收录为现场总线国际标准IEC 61158第四版，成为中国第一个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准。
4 工业以太网的前景
以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。过程控制工业和自动化工业,从嵌入式系统到现场总线控制系统,都认识到了以太网和TCP/IP 的重要性,以太网和TCP/ IP 作为世界上最为广泛应用的网络协议,它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/ IP 协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/ O 模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接,而无需任何专用设备。因此可以说,工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台,从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21 世纪未来工业网络的首选,它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景。
工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。

工业以太网和CAN现场总线比较 1. 工业以太网的优势及存在问题
(1)优势
基于TCP / IP的以太网是一种标准开放式的网络,由其组成的系统兼容性和互操作性好,资源共享能力强,可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享;数据的传输距离长、传输速率高;易与Internet连接,低成本、易组网,与计算机、服务器的接口十分方便,受到了广泛的技术支持。
(2)存在问题
以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA /CD) ,无法保证数据传输的实时性要求,是一种非确定性的网络系统; 安全可靠性问题,以太网采用超时重发机制,单点的故障容易扩散,造成整个网络系统的瘫痪;对工业环境的适应能力问题,目前工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力等都是值得关注的问题,很难适应环境恶劣的工业现场;本质安全问题,在存在易燃、易爆、有毒等环境的工业现场必须要采用安全防爆技术;总线供电问题。在环境恶劣危险场合,总线供电具有十分重要的意义。
2. CAN现场总线的特点及局限性
(1)特点
CAN现场总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。主要表现在CAN为多主方式工作; CAN总线的节点分成不同的优先级;采用非破坏仲裁技术;报文采用短帧结构,数据出错率极低;节点在错误严重的情况下可自动关闭输出。
(2)局限性
CAN现场总线作为一种面向工业底层控制的通信网络,其局限性也是显而易见的。首先,它不能与Internet互连,不能实现远程信息共享。其次,它不易与上位控制机直接接口,现有的CAN接口卡与以太网网卡相比大都价格昂贵。还有, CAN现场总线无论是其通信距离还是通信速率都无法和以太网相比。
3. 工业以太网和CAN现场总线的网络协议规范比较
工业以太网和CAN现场总线的网络协议规范都遵循ISO /OSI参考模型的基本层次结构。工业以太网采用IEEE802参考模型,相当于OSI模型的最低两层,即物理层和数据链路层,其中数据链路层包含介质访问控制子层(MAC)和逻辑链路控制子层(LLC) 。CAN现场总线的ISO /OSI参考模型也是分为两层,并与工业以太网的分层结构完全相同,但是二者在各层的物理实现及通信机理上却有很大的差别。工业以太网和CAN现场总线的各层在具体网络协议实现上的分析比较如下表所示。


表 　工业以太网和 CAN现场总线的网络协议分析比较

工业以太网
CAN现场总线

物
理
层 传输介质 TP5类线、屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输等 屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输等
编码 同步 NRZ、曼彻斯特编码 异步 NRZ
插件 RJ45、AUI、BNC 各种防护等级的工业级插件
总线供电和本质安全 无 有
传输速率 10M、100M等 5 kbps～1Mbps
数
据
链
路
层 介质访问控制子层 介质访问方式采用 CSMA/CD （载波监听多路访问/冲突检测），工业以太网很难满足工业网络通信的实时性和确定性的要求,在网络负载很重的情况下可能出现网络瘫痪的情况。 负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。采用非破坏总线仲裁技术及短帧传送数据,能够满足工业控制的实时性和确定性的要求,而且在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况。
逻辑链路控制子层 组帧、处理传输差错、调整帧流速。 报文滤波、过载通知及恢复管理。

过程现场总线（PROFIBUS－PROCESS PFIELDBUS ）和控制器局部网（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）依靠各自的优良特性和开放性，被认为是最有前途的两种总线，这里重点PROFIBUS、CAN和工业以太网优势劣势。

1 PROFIBUS现场总线的优势及存在的问题
（1）优势
PROFIBUS总线速度较快，组态配置灵活，可以实现总线供电。PROFIBUS的网络协议是按照ISO颁布的OIS标准七层参考为基础，对于3至6层进行了简化，因此它的适应性非常的强。PROFIBUS的3种模块（FMS、DP和PA）可以适应不同的应用对象和通讯速率的要求，开放性好[5]。PROFIBUS现场总线技术根据不同的应用对象可以灵活的选取3种不同规格的总线系统进行组合，混合的系统可以方便的在一根电缆上同时操作，不用加任何转换装备[8]。PROFIBUS具有本征安全的优势，在维修和接通或断开时也不会影响其他站点的工作[7]。
（2）存在的问题
PROFIBUS的参数不容易设定，在网络增加删除节点时需要进行逻辑环重构，所以不适应节点数目频繁变化的场所，限制其只可以在过程自动化及车间级的通讯等领域。

2 CAN现场总线的特点及局限性
（1）特点
CAN现场总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。主要表现在CAN为多主方式工作；CAN总线的节点分成不同的优先级；采用非破坏仲裁技术；报文采用短帧结构，数据出错率极低；节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出。
（2）局限性
CAN现场总线作为一种面向工业底层控制的通信网络，其局限性也是显而易见的。说先，他不可以与Internet互联，不可以实现远程的信息共享。其次，她不依与上位机直接接口，接口卡的价格是比较昂贵的。CAN总线的通信距离与信息传输速率没有没法和工业以 太网相比。

3 工业以太网的长处与不足
（1）长处
基于TCP/IP的以太网是一种标准开放式网络，由于其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以实现将控制现场的数据与通讯系统的资源共享；数据的传输的距离远，传输速率高；易于Internet连接，成本低，易组网，与计算机，服务器的接口十分方便，技术支持广泛。
（2）不足
以太网采用的是带有冲突的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD），无法保证数据传输的实时性要求；存在安全可靠性的问题，由于以太网的超时重发机制，单点的故障可以造成整个网络的瘫痪；目前的以太网抗干扰能力不强，很难适应环境恶劣的工业现场；本质安全问题，在易燃易爆的工业环境必须要采用安全防爆技术。总线供电问题，环境恶劣的场合，总线供电有着积极的意义。

4 三者网络协议规范比较
PROFIBUS现场总线、CAN现场总线及工业以太网网络协议规范都遵循了ISO/OSI参考模型的基本层次结构。他们使用了OSI模型的最低两层，即物理层和数据链路层，但是三者在各层的物理实现和通信的机理有着比较大的差别。他们的各层在具体网络协议比较如下表：

各有千秋，还不太很清楚，学习一下

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。然而工业以太网的优势在哪里呢？
（一）应用广泛
以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。
（二）通信速率高
目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
（三）资源共享能力强
随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
（四）可持续发展潜力大
以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投人，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

现场总线：作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成开放的互连系统，必须考虑到工业生产现场状况，即在现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零散地分布在一个较大的范围。现场总线通信模型需遵循开方系统集成的原则，同时，又要充分兼顾测控和工业应用的特点和特殊要求。现场总线通信模型的主要特点如下：
1、对OSI参考模型进行简化。通常只采用OSI模型的第1层和第2层及最高层应用层。目的是简化通信模型结构，缩短通信开销，降低成本及提高实时性能。
2、各种类型现场总线并存，并在各自的应用领域获得良好的应用效果。
3、采用相应的补充方法实现被删除的OSI各层功能。
4、通信数据的信息量较小，因此，相对其他通信网络来说，通信模型相对简单，结构更紧凑，实时性更好，通信速率更快，成本更低。

现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。

现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。

工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。

                                                    工业以太网和CAN现场总线比较

1. 工业以太网的优势及存在问题

(1)优势

基于TCP / IP的以太网是一种标准开放式的网络，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享;数据的传输距离长、传输速率高;易与Internet连接，低成本、易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，受到了广泛的技术支持。

(2)存在问题

以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA /CD) ，无法保证数据传输的实时性要求，是一种非确定性的网络系统; 安全可靠性问题，以太网采用超时重发机制，单点的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪;对工业环境的适应能力问题，目前工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力等都是值得关注的问题，很难适应环境恶劣的工业现场;本质安全问题，在存在易燃、易爆、有毒等环境的工业现场必须要采用安全防爆技术;总线供电问题。在环境恶劣危险场合，总线供电具有十分重要的意义。

2. CAN现场总线的特点及局限性

(1)特点

CAN现场总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。主要表现在CAN为多主方式工作; CAN总线的节点分成不同的优先级;采用非破坏仲裁技术;报文采用短帧结构，数据出错率极低;节点在错误严重的情况下可自动关闭输出。

(2)局限性

CAN现场总线作为一种面向工业底层控制的通信网络，其局限性也是显而易见的。首先，它不能与Internet互连，不能实现远程信息共享。其次，它不易与上位控制机直接接口，现有的CAN接口卡与以太网网卡相比大都价格昂贵。还有， CAN现场总线无论是其通信距离还是通信速率都无法和以太网相比。

3. 工业以太网和CAN现场总线的网络协议规范比较

工业以太网和CAN现场总线的网络协议规范都遵循ISO /OSI参考模型的基本层次结构。工业以太网采用IEEE802参考模型，相当于OSI模型的最低两层，即物理层和数据链路层，其中数据链路层包含介质访问控制子层(MAC)和逻辑链路控制子层(LLC) 。CAN现场总线的ISO /OSI参考模型也是分为两层，并与工业以太网的分层结构完全相同，但是二者在各层的物理实现及通信机理上却有很大的差别。工业以太网和CAN现场总线的各层在具体网络协议实现上的分析比较如下表所示。

                                                工业以太网及现场总线技术的发展

工业控制网络通讯技术服务于工业控制系统，其发展与控制技术的发展紧密相关，而控制技术是应生产工具/装置的要求而产生的，工业控制网络通讯技术的发展与生产技术的发展是相辅相成的。
人类发展的过程是一个生产力发展的过程，也是制造和使用工具水品提升的过程，根据人们对工具使用的水平，我们可以将生产水平分为如下四个阶段：
手工生产阶段 在这个阶段人们只能使用简单的工具，主要依赖人类和牲畜的体力进行生产，生产效率较低，产量较小，生产技术代代相传，没有严格统一的工艺标准，产品的一致性和连贯性较差，在不同的时间和区域差别非常大。
机械化生产阶段 此阶段与手工生产阶段最大的不同在于，主要生产的动力来自动力转化机械装置，如蒸气机、内燃机、电动机等，工人主要负责原料的准备、搬运，产品的包装、储运，设备状况的监视及对设备的操作等。机械化生产极大的提高了产品产量和产品的一致性。在此阶段，出于提高效率考虑，人们开发出了一些简单的自动化控制装置，如能使风车迎向风向的尾翼装置，能使蒸汽轮机保持速度稳定的飞球调节器等。
自动化生产阶段 此阶段的特点是大大降低了工人的劳动强度，工人的工作主要是对生产装置进行控制，原辅料进入生产线就能够生产出预定的产品，产品的产量和一致性大幅度提高。在此阶段，生产装置的规模逐渐增加，生产过程对设备之间的协调提出了更高的要求，电子控制装置随之出现，为了协调设备之间的协同工作，出现了工业通讯技术。
智能化生产阶段 此阶段的生产特点是多品种，小批量，产品更新换代快，以前采用的使用不同的设备来生产不同类产品的方案此时难以满足如此多的个性化要求，制造业主希望能够以少量的设备生产尽可能多的产品品种，柔性制造的概念因而出现。1973年，美国学者哈林顿博士提出计算机集成制造CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的概念，其基本出发点是：
企业的名种生产经营活动是不可分割的，要统一考虑；整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。
20多年来，CIMS的概念已从典型的离散型机械制造业扩展到化工、冶金等连续或半连续制造业。CIMS与计算机综合自动化制造系统是同义词，是自动化程度不同的多个子系统的集成，如管理信息系统、制造资源计划系统、计算机辅助设计系统、计算机辅助工艺设计系统、计算机辅助制造系统、柔性制造系统（FMS）等。它面向整个企业，覆盖企业的多种经营活动，包括生产经营管理、工程设计和生产制造各个环节，即从产品报价、接受订单开始，经计划安排、设计、制造直到产品出厂及售后服务等的全过程。
在当前全球经济环境下，CIMS被赋予了新的含义，即现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）。将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，应用于企业经营的各个阶段，通过信息集成、过程优化及资源优化，提高企业的市场应变能力和竞争力。
根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。
现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统的主要特点是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点），即所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。这种传统的连接方式存在信息量、开放性、可靠性、可维护性等方面还存在不足之处。
随着大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场智能设备的功能迅速提升，内置处理芯片，能够完成诸如数模转换、自诊断、量程转换、回路调节等功能。对于这些智能现场设备，可以方便的增加一个串行数据接口，这样，上位控制器就可以按其规定的通信协议，通过串行通信方式实现对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。
现场总线技术的构想始于20世纪70年代，随着CIMS概念的提出，人们迫切希望能够出现一种能够用于工业环境，可靠性高、实时性强、实现起来价格便宜的通讯系统，来构建工厂的底层网络，完成现场设备之间的数字化通信，并能够于外界实现信息交换。现场总线就是在这种需求背景之下出现的产物。北美和欧洲的自动化产品厂商和相关的国际标准化组织都着手现场总线相关标准的制定，由于行业和区域的差别，以及各个利益集团为了维护自己的经济利益互不妥协，本来应该统一的现场总线标准迟迟难以统一。
公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
目前，国际上比较被认可的现场总线主要有2类，即国际电工组织的用于工业控制系统的IEC61158标准、用于现场设备同选的IEC62026标准，还有国际标准化组织的ISO11898:1993。IEC61158是国际电工委员会测量和控制的数字数据分会和美国仪表学会联合制定的，最早从1984年起草，经过16年的努力协调磋商，到2000年才投票通过，但是没有实现唯一的统一标准，IEC61158包含10类标准：
ü FF-H1
ü ControlNet
ü PROFIBUS
ü P-Net
ü FF-HSE
ü SwiftNet
ü WorldFIP
ü InterBus
ü EtherNet/IP
ü PROFINET
上面的FF-HSE、EtherNet/IP和PROFINET是工业以太网标准。以太网很早就已经用于工业控制系统的信息层，这些运用信息量大，对实时性的要求相对较低。相比现场总线，更高的通讯速度和更好的兼容性是工业以太网的主要优点。工业以太网与普通的以太网相比，需要解决可靠性、抗干扰性、实时性、本质安全等方面的问题。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。通讯速度的大幅度提高和采用恰当的网络拓扑结构极大的改善了以太网的实时性，而采用更高品质的材料和选择合适的通讯介质，采用更加可靠的连接方式大大提高了以太网的可靠性。
由于以太网有“一网到底”的美誉，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最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。
目前市场上的工业以太网标准非常多，除开上面提到的3种标准之外，世界各国及各大自动化公司提出的工业以太网标准多达十多种，我国以浙江中控为首的组织也提出了EPA标准，并且已经成为IEC的预备标准。

对于工业以太网和现场总线通讯方式偶厂都有应用，两者的应用层面不同。

以太网主要应用于控制系统之间的数据交换特别是不同生产装置之间及整个厂区的数据通讯和监控连接，大都是通过网线、集线器连接在一起，如果距离较远还要使用光纤即介质转换器，这样的网路连接传输速率快，处理数据能力大，对于系统间大批量的数据传输比较实用，而且集线器的使用让网路节点的挂在和节点的摘除都比较方便，出现故障维修处理也很方便，其网路兼容性强、扩展简单。

现场总线网路主要应用于单一生产设备内现场仪表与控制系统的连接或者现场仪表二次表与控制系统的数据通讯，现场总线与以太网比较传送数据的速率慢，但是对于现场仪表检测控制来说大都是秒级的响应时间，因此使用现场总线完全可以胜任。现场总线与普通的单线传输通讯方式来看，不但节省了大量的线缆投资和铺设工程量而且在控制室中需要的信号处理卡件也大大节省，通过一根电缆的总线式数据通讯方式给网路的扩载带了了方便，在正常运行中可以在现场随意加载总线式仪表，只要把仪表的通讯地址设置正确就可以实现数据通讯。

现场总线在实际应用中有一个制约就是现场总线通讯实施的方法较多，没有形成一个大规模的单一标准，因此现场使用何种总线方式取决于所使用现场仪表的生产厂家，每个厂家使用不同的总线协议造成现场不同的总线式仪表很难组网成一个总线形式，各种不同协议的总线通讯不能联网或者需要复杂方式来实现，所以现场总线在实际应用中受仪表供应商的限制，而工业以太网的网络组网要简单的多。

工业以太网的优势



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。


2、以太网的主要缺陷

先了解一下以太网的通信机制。以太网是指遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。它最早出现在1972，由XeroxPARC所创建。当前以太网采用星型和总线型结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或更高。以太网产生延迟的主要原因是冲突，其原因是它利用了CSMA/CD技术。在传统的共享网络中，由于以太网中所以的站点，采用相同的物理介质相连，这就意味着2台设备同时发出信号时，就会出现信号见的互相冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用该介质。，如果有则必须等待，此时就发生了冲突。为了减少冲突发生的几率，以太网常采用1-持续CSMA，非持续CSMA，P-持续CSMA的算法2　　。由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。但其成本比工业网络低，技术透明度高，特别是它遵循IEEE802.3协议为各现场总线厂商大开了方便之门，但是，要使以太网符合工艺上的要求，还必须克服以下缺陷：

确定性
　　　由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。

实时性　　
　　　在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十ms内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。

可靠性
　　　由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

现场总线控制系统通信的优越性
现场总线控制系统使工业过程控制发生了很大变化，它具有如下优越性：
（l）现场总线使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信，而不要I／O转换，节约了费用；
（2）现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，大大减少了连线费用；
（3）现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋予现场总线仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性；
（4）现场总线提高了控制精度，这意味着应用数字信号所受到的限制将主来自传感器的精度：
（5）现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作员与被控设备之间的交互。
（6）现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与维修费用；
（7）现场总线的开放性将使用户有可能对备仪表厂商的产品任意进行选择，井组成系统，而不必考虑接口是否匹配。
现场总线有其突出的优点，但也有其明显的不足之处，主要表现在以下两点
（l）现场总线没有单一的国际标准
各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准。而经14年的纷争， 2000年初8种现场总线成为IEC现场总线国际标准子集。这一结果令人失望，也违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。尽管基金会现场总线试图推出中立和公正、防止任何技术垄断、广泛性的体系结构和标准，但至今仍有一些标准未能取得一致通过，并且迟迟未见产品问世。现场总线真正实现开放性任重而道远。在这种情况下，多种现场总线并存，共存于一个系统已成为客观事实。
（2）现场总线的系统开发困难，开放性有一定的局限性
FF， Lon Works， CAN等现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包。这需要较昂贵的代价，往往只有开发商、研究机构才能有这类开发工具，一般用户则无能为力。这说明现场总线的开放性仍有一定的局限性。许多技术人员正致力于现场总线图形化节点软件开发工具的研究工作。

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