1.应用需求推动工业以太网诞生

工业自动化系统，随着网络技术的不断发展，也在向分布化、智能控制化的方向发展。工业4.0的概念，是要将整个工厂作为一个完整系统来看待，实现其全面智能化控制和管理，追求企业的经济效益最大化，也就是现代“智能制造”的概念。在中国，这一概念被称为“中国制造2025”。所以说制造业对自动化技术有了更高需求，要求能够实现工厂信息纵向的透明通信，并能够实现全面信息集成，因此必须有一种开放透明的标准通信协议。以太网技术是一种全数字化、全开放的网络技术，只要符合以太网的规范，不同制造商的设备均可进行互联。工业以太网除了能够实现工业控制设备的互联外，还能实现与企业信息网络的互联，有利于企业整体智能化的实现。工业以太网是工业互联网的基础构成部分，由“中国制造2025”催生的工业互联网热潮必将使工业以太网在中国工业的应用迈上一个新台阶。

2.工业以太网概念和通信协议模型

以太网作为现场总线，可以克服传统现场总线技术的缺点，使现场总线技术更容易与计算机网络技术融合，从而实现良性互动、共同发展。

所谓工业以太网，就是实现了以太网TCP/IP协议与工业现场总线特点的融合。由于“现场总线”已经成为工业数据通信和控制网络的代名词，所以我们也可以把工业以太网技术纳入现场总线技术范畴。实际工业以太网系统架构（举例）如图5.13所示。

工业以太网通信协议模型也可参考ISO/OSI模型进行简化，协议划分为高层的应用层、低层的数据链路层和物理层，与现场总线协议模型划分方式一致。而数据的交换和路由选择，还要通过中间层网络的交换和路由设备来实现。为满足通信实时性要求，一般实时数据的传输采用UDP实现，其他数据的传输既可用UDP也可用TCP实现。

3.工业以太网的特殊性

图5.13　工业以太网系统架构（举例）

工业控制系统并不仅仅是一个数据传输的通信系统，最终还要完成系统的控制功能。它有着不同于商用以太网的特殊应用需求，需要特殊的技术条件来支撑。

（1）应用层协议应具有开放与互操作性。

商用以太网应用层已经有许多行之有效的应用协议，但这些协议所定义的数据结构等特性，不适合工业控制现场设备之间的实时通信。因此，有必要在Ethernet+TCP/IP协议基础上，制定有效的实时通信服务机制，适应工业现场控制实时和非实时信息的传输服务的需要，形成为制造商和用户所共同接受的应用层协议，作为开放的标准推动工业自动化行业快速进步。

（2）信号传输应具有实时性与确定性。

与普通数据网络不同，工业控制网络必须满足控制功能对实时性的要求，实时性是其非常重要的一个特点，即信号传输要尽量快且确定，对某些变量的数据还要准确定时刷新。(www.daowen.com)

由于以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络重负荷时，就会产生网络传输的不确定性，这难以满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术一直被看作非确定性的网络技术。这是一个重要的瓶颈问题。

（3）应满足工业现场对产品工艺要求的特殊性。

工业以太网在产品设计、材料的选用、产品的强度和适用性等方面都必须满足工业现场的要求，如环境适应性（包括耐振动、耐冲击温度和湿度、耐腐蚀、防尘、防水、电磁兼容性EMC等）、可靠性（数据传输的准确可靠）、安全性（隔爆及本质安全）、安装方便（如标淮DIN导轨安装方式）等。

4.工业以太网特殊需求的解决之道

虽然存在以上诸多显性原因，但以太网技术不可能脱离原来的管理基础和DCS等控制方式独立发展，原有现场总线组织或现场总线产品制造商，为了保护既有利益并继续扩大利益，都拿出了新的工业以太网改进技术方案。他们把原有现场总线体系中的高速部分，采用TCP/IP和以太网技术，形成工业以太网协议，如PROFInet、HSE、Ethernet/IP等。虽然这些协议仍然不是统一的标准，但能够解决互联的问题。

网络技术的快速发展，为解决以太网的非确定性问题创造了条件。一方面，提高带宽、减少碰撞是最直接的办法，快速以太网技术使网络负荷大幅度减轻、网络传输延时大幅度减小、网络碰撞几率大大下降（但不能够在原理上保证通信的确定性和实时性）；另一方面，交换式以太网技术也在发展，全双工通信可以消除网络上的冲突域，半双工通信则更大限度地降低碰撞几率，因此能够更大限度地提升以太网通信的确定性和实时性。

在产品工艺与现场安装工艺方面，为了解决极端条件下，在不间断工作的工业应用场景，网络也能稳定工作的问题，德国Hirschmann、Jetter AG、美国Synergetic微系统公司等，研发了系列化的以工业应用为目标的专用网络设备或专用以太网接口设备。另外，能提供多种适用于工业环境传输介质、接插件、供电及安全方案等，比较好地解决了工业现场网络的抗干扰能力和可靠性问题。

5.工业以太网的发展现状和发展趋势

目前现场总线体系中，基于以太网的通信协议，除国际标准IEC61784-1中包含的HSE、PROFInet、Ethernet/IP之外，还包括EPA、EtherCAT、Ethernet Power Link、Mod-bus/IDA等多个方案。Mod-bus-TCP/IP及其中EPA（ethernet for plant automation）项目，是中国政府关于“以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术”的“863”计划项目。

在各方全力推动之下，工业以太网技术以其数据传输率、可靠性等综合优势，得到了长足的发展。据美国权威调查机构ARC（Automation Research Company）报告指出，今后以太网技术不但继续垄断传统网络通信领域，还将垄断工控领域的上层网络通信市场，未来也将一统现场总线的天下。

为了因应这种趋势，国际电工委员会IEC起草了RTE（real-time ethernet，实时以太网）标准，中国科技部也发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，这些工作都是为了真正解决工业以太网的核心问题，如通信的实时性、可互操作性等，并且要研发与这些技术一致的适用于工业控制现场的设备、软件及系统。这一切措施，目的都是为了推动以太网技术在工业控制领域更深入的应用。

由于人们担心以太网技术是否能够完全解决实时性和确定性问题，很多工业控制现场层协议仍然首选现场总线技术。“中国制造2025”带来的高歌猛进的“工业互联网”运动，无疑将是推动工业以太网技术应用的巨大动力，也许能够快速改变这一局面。真正值得担心的是，原来现场总线组织（或现场总线产品制造商）的现场总线标准之争，将工业以太网技术的快速发展，演变成工业以太网标准之争。虽然人们都希望实现技术标准化、一体化，而现实是行业千差万别，很难用一种技术覆盖所有不同需求。从IEC61158的发展历程我们可以想象，工业以太网技术多种协议并存的状况，会不会像现场总线协议那样历经多年无法统一？工业以太网技术什么时候能够完全取代现场总线技术？这一切都有待观察。