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20世紀70年代早期，國際上公認的第一個以太網系統出現于Xerox公司的Palo Alto Research Center（PARC），它以無源電纜作為總線來傳送數據，在1000m的電纜上連接了100多臺計算機，并以曾經在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名，這就是如今以太網的鼻祖。以太網發展的歷史如下表：

IEEE 802代表OSI開放式系統互聯七層參考模型中一個IEEE 802.n標準系列，IEEE 802介紹了此系列標準協議情況。主要描述了此LAN/MAN（局域網/城域網）系列標準協議概況與結構安排。IEEE 802.n標準系列已被接納為guojibiaozhun化組織（ISO）的標準，其編號命名為ISO 8802。以太網的主要標準如下表所示：

人們習慣將用于工業控制系統的以太網統稱為工業以太網。如果仔細劃分，按照國際電工委員會SC65C的定義，工業以太網是用于工業自動化環境、符合IEEE 802.3標準、按照IEEE 802.1D“媒體訪問控制（MAC）網橋”規范和IEEE 802.1Q“局域網虛擬網橋”規范、對其沒有進行任何實時擴展（extension）而實現的以太網。通過采用減輕以太網負荷、提高網絡速度、采用交換式以太網和全雙工通信、采用信息優先級和流量控制以及虛擬局域網等技術，到目前為止可以將工業以太網的實時響應時間做到5~10ms，相當于現有的現場總線。采用工業以太網，由于具有相同的通信協議，能實現辦公自動化網絡和工業控制網絡的無縫連接。

以太網與工業以太網比較如下表所示：

工業以太網即應用于工業控制領域的以太網技術，它在技術上與商用以太網兼容，但又必須滿足工業控制網絡通信的需求。在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、可靠性、抗干擾能力、實時性等方面滿足工業現場環境的應用。一般而言，工業控制網絡應滿足以下要求。

1. 具有較好的響應實時性：工業控制網絡不僅要求傳輸速度快，而且在工業自動化控制中還要求響應快，即響應實時性好。

2. 可靠性和容錯性要求：既能安裝在工業控制現場，且能夠長時間連續穩定運行，在網絡局部鏈路出現故障的情況下，能在很短的時間內重新建立新的網絡鏈路。

3. 力求簡潔：減小軟硬件開銷，從而降低設備成本，同時也可以提高系統的健壯性。

4. 環境適應性要求：包括機械環境適應性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環境適應性（工作溫度要求為-40℃~85℃，至少為-20℃~70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2/EN50082-2標準。

5. 開放性好：由于以太網技術被大多數的設備制造商所支持，并且具有標準的接口，系統集成和擴展更加容易。

6. 安全性要求：在易爆可燃的場合，工業以太網產品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質安全。

7. 總線供電要求：即要求現場設備網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備提供工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低成本。IEEE 802.3af標準對總線供電進行了規范。

8. 安裝方便：適應工業環境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。

工業以太網協議在本質上仍基于以太網技術，在物理層和數據鏈路層均采用了IEEE 802.3標準，在網絡層和傳輸層則采用被稱為以太網“事實上的標準”的TCP/IP協議簇（包括UDP、TCP、IP、ICMP、IGMP等協議），它們構成了工業以太網的低四層。在高層協議上，工業以太網協議通常都省略了會話層、表示層，而定義了應用層，有的工業以太網協議還定義了用戶層（如HSE）。工業以太網的通信模型如下圖所示：

工業以太網與商用以太網相比，具有以下特征：

在工業以太網中，提高通信實時性的措施主要包括采用交換式集線器、使用全雙工（full-duplex）通信模式、采用虛擬局域網（VLAN）技術、提高質量服務（QoS）、有效的應用任務的調度等。

首先，針對工業現場的振動、粉塵、高溫和低溫、高濕度等惡劣環境，對設備的可靠性提出了更高的要求。工業以太網產品針對機械環境、氣候環境、電磁環境等需求，對線纜、接口、屏蔽等方面做出專門的設計，符合工業環境的要求。

在易燃易爆的場合，工業以太網產品通過包括隔爆和本質安全兩種方式來提高設備的生產安全性。

在信息安全方面，利用網關構建系統的有效屏障，對經過它的數據包進行過濾。同事隨著加密解密技術與工業以太網的進一步融合，工業以太網的信息安全性也得到了進一步的保障。

工業控制的高可靠性通常包含三個方面內容：

在工業以太網系統中，通常采用冗余技術以提高網絡的可用性，主要有端口冗余、鏈路冗余、設備冗余和環網冗余。

以太網發展到工業以太網，從技術方面來看，與現場總線相比，工業以太網具有以下優勢：

1. 應用廣泛。以太網是目前應用Zui為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持Ethernet的應用開發，如Java、Visual C++、Visual Basic等。這些編程語言由于廣泛使用，并受到軟件開發商的高度重視，具有很好的發展前景。因此，如果采用以太網作為現場總線，可以保證有多種開發工具、開發環境供選擇。

2. 成本低廉。由于以太網的應用廣泛，受到硬件開發與生產廠商的高度重視與廣泛支持，有多種硬件產品供用戶選擇，硬件價格也相對低廉。

3. 通信速率高。目前以太網的通信速率為10Mbit/s、100 Mbit/s、1000 Mbit/s、10G bit/s，其速率比目前的現場總線快得多，以太網可以滿足對帶寬有更高要求的需要。

4. 開放性和兼容性好，易于信息集成。工業以太網因為采用由IEEE 802.3所定義的數據傳輸協議，它是一個開放的標準，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。

5. 控制算法簡單。以太網沒有優先權控制意味著訪問控制算法可以很簡單。它不需要管理網絡上當前的優先權訪問級。還有一個好處是：沒有優先權的網絡訪問是公平的，任何站點訪問網絡的可能性都與其他站相同，沒有哪個站可以阻礙其他站的工作。

6. 軟硬件資源豐富。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發和培訓費用，從而可以顯著降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發和推廣速度。

7. 不需要中央控制站。令牌環網采用了“動態監控”的思想，需要有一個站負責管理網絡的各種家務。傳統令牌環網如果沒有動態監測是無法運行的。以太網不需要中央控制站，它不需要動態監測。

8. 可持續發展潛力大。由于以太網的廣泛使用，使它的發展一直受到廣泛的重視和大量的技術投入，由此保證了以太網技術不斷地持續向前發展。

9. 易于與Internet連接。能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的信息無縫集成。

工業以太網一般應用于通信實時性要求不高的場合。對于響應時間小于5ms的應用，工業以太網已不能勝任。為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業以太網實時性的技術解決方案。這些方案建立在IEEE 802.3標準的基礎上，通過對其和相關標準的實時擴展提高實時性，并且做到與標準以太網的無縫連接，這就是實時以太網（realtime Ethernet，RTE）。

根據IEC 61784-2-2010標準定義，所謂實時以太網，就是根據工業數據通信的要求和特點，在ISO/IEC 8802-3協議基礎上，通過增加一些必要的措施，使之具有實時通信能力：

1. 網絡通信在時間上的確定性，即在時間上，任務的行為可以預測；

2. 實時響應適應外部環境的變化，包括任務的變化、網絡節點的增/減、網絡失效診斷等；

3. 減少通信處理延遲，使現場設備間的信息交互在極小的通信延遲時間內完成。

2007年出版的IEC 61158現場總線guojibiaozhun和IEC 61784-2實時以太網應用guojibiaozhun收錄了以下十種實時以太網技術和協議如下表所示：

實時工業以太網采用不同的實時策略來提高實時性能，根據其提高實時性策略的不同，實現模型可分為3種。實時工業以太網實現模型如下圖所示：

圖中情況（1）是基于TCP/IP實現，在應用層上作修改。此類模型通常采用調度法、數據幀優先級機制或使用交換式以太網來濾除商用以太網中的不確定因素。這一類工業以太網的代表有 Modbus/TCP和 Ethernet/IP。此類模型適用于實時性要求不高的應用中。

圖中情況（2）基于標準以太網實現，在網絡層和傳輸層上進行修改。此類模型將采用不同機制進行數據交換，對于過程數據采用專門的協議進行傳輸，TCP/IP用于訪問商用網絡時的數據交換。常用的方法有時間片機制。采用此模型典型協議包含 Ethemet POWERLINK、EPA和 PROFINET RT。

圖中情況（3）是基于修改的以太網，基于標準的以太網物理層，對數據鏈路層進行了修改。此類模型一般采用專門硬件來處理數據，實現高實時性。通過不同的幀類型來提高確定性。基于此結構實現的以太網協議有 EtherCAT，SERCOSIII和 PROFINET IRT。

對于實時以太網的選取應根據應用場合的實時性要求。

工業以太網的三種實現如下表所示：

幾種實時工業以太網的對比如下表所示：

幾個實時工業以太網數據傳輸速率對比如下圖所示。實驗中有40個軸（每個軸20Byte輸入和輸出數據），50個I/O站（總計560個EtherCAT總線端子模塊），2000個數字量，200個模擬量，總線長度500m。結果測試得到EtherCAT網絡循環時間是276μs，總線負載44%，報文長度122μs，性能遠遠高于SERCOSIII、PROFINET IRT和POWERLINK。

根據對比分析可以得出，EtherCAT實施工業以太網各方面性能都很突出。EtherCAT極小的循環時間、高速、高同步性、易用性和低成本使其在機器人控制、機床應用、CNC功能、包裝機械、測量應用、超高速金屬切割、汽車工業自動化、機器內部通信、焊接機器、嵌入式系統、變頻器、編碼器等領域獲得廣泛的應用。

同時因拓撲的靈活，無需交換機或集線器、網絡結構沒有限制、自動連接檢測等特點，使其在大橋減震系統、印刷機械、液壓/電動沖壓機、木材交工設備等領域具有很高的應用價值。

國外很多企業對EtherCAT的技術研究已經比較深入，而且已經開發出了比較成熟的產品。如德國BECKHOFF、美國Kollmorgen（科爾摩根）、意大利Phase、美國NI、SEW、TrioMotion、MKS、Omron、CopleyControls等自動化設備公司都推出了一系列支持EtherCAT的驅動設備。國內對EtherCAT技術的研究尚處于起步階段，而且國內的EtherCAT市場基本都被國外的企業所占領。