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常见问题解答- 1.除了通信实时性要求外，工业数据通信网络的通信还具有以下特点
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答案：- （1）周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少；
（2）有限的时间响应，一般办公室自动化计算机局部网响应时间可在几秒范围内，而工业控制局域网的响应时间应在0.01-1秒；
（3）信息流向具有明显的方向性，通信关系比较确定。正常工作情况下，变送器只需将测量信息传送到控制器，而控制器则将控制信息传送给执行机构，来自现场仪表的过程监控与突发时间信息则传向操作站，操作站一般只需将下载的程序或配置数据传送给现场仪表等；
（4）根据组态方案，信息的传送遵循严格的时序；
（5）传输的信息量少，信息长度比较小，通常仅为几位或几个、十几、几十个字节；网络吞吐量小；
（6）网络负荷较为平稳。 - 此FAQ对你有帮助吗？[ 是 | 否 ] | 收藏 | 来源：Myprice价格网
- 2.工业以太网的关键技术
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- 答案：
- 随着互联网技术的发展与普及推广，以太网传输速率的提高和以太网交换技术的
发展，传统商用以太网的上述问题在工业以太网中正在得到解决。工业以太网的关键技术在于：
（一）通信实时性的解决
1．采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net的通信速率从10、100 Mb/s增大到如
今的1、10Gb/s。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，从而提高其实时性。
2．采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术，避免
了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。
3．降低网络负载。工业控制网络与商业控制网络不同，每个结点传送的实时数据量
很少，一般为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目，降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性。
4．应用报文优先级技术。在智能交换机或集线器中，通过设计报文的优先级来提高
传输的实时性。
（二）稳定性与可靠性的解决措施
为了解决在不间断的工业应用领域，在极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。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可靠性。
（三）安全性问题
一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
（四）总线供电问题
对于现场设备供电可以采取以下方法：
1．在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。
2．不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。
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- 3.商用以太网用于工业现场需克服的一些缺陷
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- 答案：
- 在讲以太网的主要缺陷前，有必要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：
（一）通信的非确定性
工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的
要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。
（二）通信非实时性
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。
（三）商用以太网不具备高稳定性与可靠性
传统的以太网在设计之初并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的恶劣的工况，严重的线间干扰以及机械、气候、尘埃等条件的恶劣，而且以太网的抗干扰（EMI）性能非常差，应用于危险场合时，不具备本质安全性能；因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。同时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。
（三）安全性问题
在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。 在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。但同时也引人了一系列的网络安全向题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。
（四）总线供电问题
总线供电（或称总线馈电）是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。以太网从设计之初就没有考虑到这一问题，而工业现场存在着大量的总线供电需求。
正因为有以上诸多问题，普通的商用以太网是不能够直接用于工业现场的控制的。为了解决这些问题工业以太网便应运而生。
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- 4.工业以太网设备包括以下几个重要部分。
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- 答案：
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工业以太网集线器
相信绝大多数人都熟悉集线器。很多人使用这种简易设备去连接各种基于以太网的设备，如个人计算机，可编程控制器等。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。在消息传递方面，集线器是低速低效的，可能会出现消息冲突。然而，集线器的使用非常简单－实际上可以即插即用。集线器没有任何华而不实的功能，也没有冗余功能。
工业以太网非管理型交换机
集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外，它具有一种称为“MAC地址表”的功能，能识别和记忆网络中的设备。换言之，如果端口2收到一条带有特定识别码的消息，此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端口2。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。
工业以太网管理型交换机
工业以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多－通常是一台非管理型交换机的3～4倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可缺的。
绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断(block)备用路径。
工业以太网管理型冗余交换机
高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余RapidRingTM以及Trunking。
1工业以太网 STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D)，是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP(快速生成树算法，IEEE 802.1w)作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。生成树算法网络结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。
2 工业以太网环网冗余
为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing孕育而生。这是在工业以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过工业以太网交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。
RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。
3 工业以太网主干冗余
将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，则这些工业以太网交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间在10ms以下。
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- 5.速度和距离
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讨论共享型以太网的距离，不能忽略碰撞域（CollisionDomain）的概念。
共享型以太网或半双工以太网的媒体访问是由载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）确定的。在半双工的通讯方式下，发送和接收不能同时进行，否则数据会发生碰撞。站点发送前，首先要看是否有空闲的信道。发送时，站点还会在一段时间内收听，确保在这一时间内没有其它站点在进行同步传送，最终本站发送成功。反之，发生碰撞，源站点发送阻塞信号加强碰撞。竞争站点延迟后（延迟时间由算法确定，是随机的）重试。在这种机制下，所有站点和所有集线器都必须在同一碰撞
域内。
对工业以太网来说，10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps，全部采用双绞线的以太网网络中，与距离有关的概念有两个，即网段（Segment）和网络范围(NetworkDiameter)。前者指连接两个设备（集线器、交换机或主机）的距离，后者指网络中两个最远端设备之间的距离。不管是10Mbps或100Mbps的网络，网段的最远距离不能超过100米。考虑网络延伸，最有用的规则就是5-4-3规则（仅仅针对10Mbps中继器）。规则的内容如下：一个网络最多有五个网段，四个中继器，不多于三个的混合网段。混合网段指的是同轴总线网段（已淘汰）。由于双绞线网段的最远距离是100米，最大网络（网络范围）就是500米。
光纤网段的最远距离可达2公里，但IEEE802.3标准规定，使用光纤，级联数最多不能超过3个，且网络末端需使用双绞线，中间的两个为光纤网段并保证每个网段不超过1公里。这样，整个光纤网段长度限制在2公里。
5-4-3规则对100Mbps是不适用的。建议使用100Mbps交换机。
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- 6.工业以太网与普通商用以太网产品
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技术上，工业以太网与IEEE802.3兼容，但设计和包装兼顾工业和商业应用的要求。工业现场的设计者希望采用市场上可以找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑工业现场的特殊要求。首先考虑的是高温、潮湿、震动。第二看是否能方便地安装在工业现场控制柜内。第三是电源要求。许多控制柜内提供的电源都是低压交流或直流。墙装式电源装置有时不能适应。电磁兼容性（EMC）的要求随工业环境对EMI（工业抗干扰）和ESD（工业抗震）要求的不同而变化。现场的安全标准与办公室的完全不同。有时需要的是恶劣环境的额定值。工厂里采用的可能是工业控制柜标准而楼宇系统采用的往往是烟雾标准。显然低价的商用以太网集线器和交换机无法达到这些要求。
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- 7.接头和连接
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双绞线接头中RJ-45较常见，共两对线，一对用于发送，另一对用于接收。在媒介相关接口（MDI）的定义中，这四个信号分别标识为RD+，RD-，TD+，TD-。
一条通信链路由DTE（数据终端设备，如工作站）和DCE（数据通讯设备，如中继器或交换机）组成。集线器端口标识为MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通电缆相连。假如是两个DTE或两个DCE相连？可以采用电缆交叉的方法或直接利用集线器提供的上连端口（电缆不要交叉）。
光纤接头有两种，ST接头用于10Mbps或100Mbps；SC接头专用于100Mbps。单模纤通常使用SC接头。DTE与DCE之间的连接只需依照端口的TX、RX标识即可。
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- 8.主干冗余
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将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间在10ms以下。
图解：用管理型交换机实现Trunking主干连接，网络中断恢复时间小于10ms
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- 9.环网冗余
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为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing孕育而生。这是在以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。
RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。
图解1：用管理型交换机实现RapidRing环网连接，网络中断恢复时间小于300ms
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- 10.管理型交换机
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- 11.现代以太网技术特征主要包括以下几方面。
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- 1）高带宽；数据传输率从10Mbps经过100Mbps快速以太网和1Gbps千兆位以太网的发展，日前10Gbps万兆位以太网已经开始应用在局域网的主干网上。特别在智能园区，包括大型校园、于业同区、开发区以及特大型的住宅区中．在局域网的主干网上选用万兆位以太网的案例已不是个别的。至于100Mbps和1Gbps以太网已经广泛地应用在智能建筑的局域网中。
（2）全光缆媒体的使用：在以太网发展的初期，传输媒体采用铜轴电缆，构成公共总线结构。当10BASET／F出现后，构成了星型结构的以太网，采用了双绞线和光缆作为传输媒体，以后发展的100BASE和1000BASE均是如此。当10000BASE出现后，构成了全光缆以太网，在万兆位以太网上不再使用双绞线或其他铜缆。
（3）总线型—星型—环路结构：以太网从共享型发展到交换型，其拓扑结构从总线型发展到屋型。屋型结构的可靠性、可实施性、可维护性均优于总线结构，星型结构义推动了综合布线技术的发展。目前以太网已经可以构成环路结构，特别用于光纤主干回路，进一步提高了光纤主干回路数据传输的可靠性。
（4）单链路—聚合链路：交换机之间链路连接从单链路发展到目前的聚合链路。特别在光纤主干回路上，聚合链路一般可达8路，既大大扩展了链路带宽（平滑连续地扩展），又提高了链路连接的可靠性。
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- 12.什么是工业以太网
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工业以太网，所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。
以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准，但它是为办公自动化的应用而设计的，并没有考虑到工业现场环境的需求，比如高温、低温、防尘等，所以以太网不能直接应用于环境恶劣的工业现场。所以工业以太网就随之产生了。
现代以太网技术与智能建筑以太网发展至今已有20余年历程，作为局域网组网的主要技术，一直长久不衰。在这期间，令牌环、令牌总线、FDDI、ATM等技术分别在不同的阶段冲击着以太网在局域网领域的盟主地位。但是以太网以其简单、价廉、高带宽、维护方便以及不断发展的特点牢牢地占领着局域网领域，并向着接入网和城域网领域发展。
自从以太网技术由共享发展到交换后，星型结构、交换与高带宽三大因素形成了与传统以太网大不相同的现代以太网技术。
进入21世纪以来，IT界已经不再寻找替代以太网的技术，转而寻找增强以太网的功能和将它扩展到新领域的途径。现代以太网组网功能已经大大地超越了基本的以太网功能。TCP／IP与以太网是开放性的强强组合，逐步渗透到建筑智能化领域的各个方面，给予智能建筑强大的生命力。在智能建筑领域，TCP／IP以太网不仅作为信息服务／管理／监控的网络平台，而且越来越成为视频／语音等应用的支撑平台。可以认为，随着安防数字化进程的加速，目前市场上直接采用标准双绞线和专用以太网来构成某些安防子系统的产品已经出现。这样一来，出现基于以太网的多个子系统融合的、结构优化的、可靠的、—体化的安防系统已经不是一种方向性的讨论了。在某些智能建筑的机电设备监控系统中，现场控制网络采用工业控制以太网已不是个别的案例了。
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- 13.以太网的主要缺陷
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- 在讲以太网的主要缺陷前，有必要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：
l 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。
l #61472;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。
l 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。
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- 14.硬件集成方式
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- 在底层网段与控制层之间加入中继器、网桥、网关等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。在现场总线的各种标准中，对一条总线段上容 许挂接的通信节点有严格的规定。同种类型的总线，可采用中继器实现网段的延伸和网络节点数的增加，采用网桥实现不同速率网段之间的连接。不同类型的现场总 线网段之间可采用网关实现互连。大多数现场总线标准都设计了专门的协议转换器(网关)完成低速总线网段与高速总线网段的连接，在同一控制器母板上连接多个 网关，将不同类型现场总线网段与以太网相连，组成异构综合网络，是常见的多种现场总线集成形式。网关集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用 TCP/IP的以太网，当现场设备有大量信息上传或监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。
为满足工业控制网络的QoS耍求，目前越来越多的共享介质段通过Switch连在一起，形成一个交换式的以太网。交换机采用虚连接工作方式提供大容量的动 态交换带宽，克服了传统以太网中由于传输链路共享所造成的信道冲突，因此用它来代替传统的集线器、网关和路由器后可使有实时要求的站点的通信在保证最大延 滞条件下通过交换机透明地转发(见图2)。
图2所示的具有交换能力的以太网结构可以保证每次的数据传输时间的确定性。但是一般情况下，交换机只对所有数据包做平等处理，包的转发仅按照队列结合考虑 FIFO规则处理，没有优先级机制。为了改善数据流的可控性，可以引入把用户需求与多个虚拟队列结合考虑的优先级机制，以保证QoS要求。问题的核心是如 何设计能满足工业控制特点的调度机制和队列。
在图2所示结构中，每次转发的数据包必须经过两个或者更多的等待队列处理，等待队列对应于一个优先级相同的数据包或称相同的流量类型(Traffic Class，指在同一网络中具有相同QoS的数据流集合)，与等待队列相关联的必须有一个合理的调度过程。目前两个国家组织分别提出了两种不同的调度算 法。
IEEE制定了一个称作"简单优先级调度"的方法，它在MAC层的数据包上加一个3bit宽的 "用户优先级域"，可标识8种不同的Traffic Classes，然后严格按照优先级的高低安排等待队列。IEIF则在其提出的集成服务(integrated service)架构中设计了称作"平衡队列(weighted fair queuing)"算法。其核心思想是综合考虑用户需求、数据包的长度、数量等对等待队列赋予可变优先级。两种方法各有千秋，在现阶段IEEF方案可以较 容易地应用于工业控制网络交换机的设计。IEIF方案将主要用于办公自动化和上层的路由网络中。
硬件设备也可以是一台专门的计算机，计算机通过运行软件完成数据包的识别、解释和转换;对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存贮转发数据包，起到网 桥的作用。
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- 15.基于工业以太网的电厂综合自动化系统体系结构
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- 现场总线本质上是一种控制网络，但与Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数 据完整性有很高的要求。为适应这种需要，现场总线标准仪表仅使用ISO/OSI7层模型中的3层:物理层、数据链路层和应用层。为使现场总线标准既是一种 通信标准，又为一种系统标准，使FCS成为可操作系统，H1总线中增加了一个用户层，用户层为现场设备内部信息的存取及如何将信息传送给网内同一节点或不 同节点作了定义。
IEC61158标准中的8种现场总线采用完全不同的通信协议，H1采用链路活动调节器方式和发布/预订接收通信模式;ControlNet使用并行时间 域多路存取(CTDMA)方式和生产者/客户通信模式;Profibus是令牌环和主站/从站方式;P-Net采用虚拟令牌传递方式;HSE采用CSMA /CD方式，SwiftNet采用槽路时间片多路存取(STDMA)万式; WorldFIP使用总线裁决方式;Internet则采用整体帧协议方式。因此，要实现这些总线的集成，存在较大困难。
综合考虑企业范围内各种需求，结合IEC61158中几种典型现场总线标准的特点，基于以太网的电厂综合自动化系统结构可分为3层，从低到高分别为现场控 制层、监控层和企业管理层，见图1。
(1)现场控制层由现场设备和控制网段组成。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，由带有功能块的现场总线设备完成对生产过程的控制。低速总线 H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速总线HSE仅支持拓扑结构。H1和HSE总线用户层包括大量的功能块，可通过联结分布在各个 现场设备中的功能块来实现控制系统结构设计。HSE和IEC61158中的其他几种总线，在底层主要表现为装置级总线，要达到多种总线标准共存，可在不同 网络协议的现场总线之间加入协议转换器(网关)，识别并理解不同格式的数据包，并在不同的网络之间转发。
(2)监控层由高速以太网(HSE总线)以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站组成。现场控制层通过现场总线接口与监控层相连，监控站可以 完成对控制系统的组态设计和下装，执行对控制系统的监视、操作、趋势分析、报警、维护及各种人机交互功能。监控层除了上述功能之外，还为实现先进控制和过 程操作优化提供支撑环境。
(3)企业管理层由各种服务器和客户机组成，其主要目的是在分布式网络环境下，集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务 应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户就能随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行 实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在企业范围内实现底层测控信息的实时传递。另外，也可以通过租用DDN专 线或利用公众数据网，实现在广域网范围内的远程监控。
在整个基于以太网总线的企业综合自动化系统中，现场控制层是整个系统的基础，只有确保该层安全、可靠地运行，上层网络才能获得信息，实现其监控功能。由于 现场控制网络的确定性要求较高(一般要求网络的时间延迟小于2～4ms)，至今也没有一种底层总线在这方面更占优势，这也是总线标准难以统一，且现场总线 方面的研究主要停留在底层的重要原因。从企业综合自动化系统的完整性角度看，现场控制层与监控层、企业管理层之间的数据传输与交互问题，即实现控制网络与 信息网络的紧密集成问题也应是研究的重要课题。
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- 16.以太网的优越性
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- 答案：
- 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。
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