2.3 以太網的工業應用
在工業通信網絡中，各種現場總線曾占據了整個市場，但是隨著信息技術的發展,總線機制已經慢慢無法滿足企業的信息通信需要，成了企業信息化的一個瓶頸。而且由于控制網絡的總線標準不統一，從而導致控制網絡間互連以及控制網絡與企業上層網絡交換數據出現了代價過高等問題。采用在辦公自動化網絡中廣泛使用的以太網來代替各種現場總線，成為解決這種瓶頸問題的一個新的思路，目前在世界上已經有成功的在某些領域應用的實例。
以太網是一種局域網，按照IEEE802.3 標準的規定，它采用CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）模式對共享媒體進行訪問。其協議對應于ISO/OSI 七層參考模型中的物理層和數據鏈路層。以太網的傳輸介質為同軸電纜、雙絞線、光纖燈，采用總線型或者星型拓撲結構，傳輸速率為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s 或更高。在辦公和商業領域，以太網是最常用的通信網絡。以太網技術由于具有成本低、通信速率高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的技術支持基礎和強大的持續發展潛力等諸多優點，在過程控制領域的管理系統層得到廣泛應用。
2.3.1 現場總線技術存在的缺陷和問題
傳統的現場總線技術存在的最大問題就在于標準不統一。現場總線多達十多種，應用廣泛的就有八種之多，包括有:FF 的H1，Control Net，Profibus，Interbus，P-net，WorldFIP，Swiftnet，FF 的高速Ethernet，即HSE。其中，P-net 和Swiftnet是專用總線，Control Net，Profibus，Interbus，WorldFIP 是從PLC 發展而來的，H1 和HSE 是從傳統的DCS 發展而來的，這使得基于現場總線的控制系統顯得比較雜亂，如圖2-2 所示。
圖2-2 現場總線控制系統結構圖
如上所述，由行業與地域發展歷史等原因，行業眾多，需求各異，加之各公司和各集團受自身商業利益的驅使，現場總線難以統一國際標準。這種情況明顯違背了當初開發現場總線的初衷。發展共同遵從的統一標準，真正形成開放互連的系統，是大勢所趨。
2.3.2 工業以太網發展歷程
以太網（Ethernet）最初源于1975 年美國Xerox 公司和斯坦福大學建造的一個219Mb/s 的CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）系統。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。這就是如今以太網的鼻祖，主要是為了計算機之間大量文件的傳輸。隨后，DEC、Intel 及Xerox 聯合公布了以太網物理層和數據鏈路層的規范，成為DIX 規范。在此基礎上，1982 年，電氣和電子工程師協會（IEEE）制定了IEEE802.3 標準。1990 年2 月，該標準被國際標準化組織采納，正式成為國際標準。因此，IEEE802.3 以“以太網”為技術原型，本質特點是采用CSMA/CD 的介質訪問控制技術，“以太網”與IEEE802.3 略有區別，但在忽略網絡協議細節時，人們習慣將IEEE802.3 稱為“以太網”。
20 世紀80 年代中期產生的現場總線，本質上就是工廠中的局域網。現場總線系統將只能現場設備和自動化系統以全數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信控制網絡連接，使得工業控制系統向分散化、網絡化和智能化發展成為可能，使得工業控制系統的體系結構和功能結構產生重大變革。但各主要現場總線各具特點，不可互相替代，不能在原來的技術上統一標準。除了他們的技術特色和背后支持公司之間的利益沖突外，還因為現場總線發展過程中，過多的強調了自動化網絡的特殊性，忽略了信息技術的發展成果，加上當時的微處理器功能簡單，數字處理能力不強，不能處理Ethernet 上“捆綁”使用的TCP/IP 協議，致使現場總線技術、產品和應用發展緩慢。
1998 年德國西門子公司發布了工業Ethernet 白皮書，并與2001 年發布其工業Ethernet 標準規范，稱為PROFLInet。
在1999 年，法國施耐德公司旗下MODICON 公司公布了Modbus TCP 協議，配合施耐德公司提出的“透明工廠”的戰略，使法國施耐德成為工業以太網的堅決倡導者，Modbus/TCP 協議已一種非常簡單的方式將Modbus 幀嵌入TCP 中。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應答。這種呼叫/應答的機制與Modbus 的主從機制互相配合，使交換式以太網具有很高的確定性和可靠性，利用TCP/IP 協議，網頁的形式使用戶界面更加友好，并且利用瀏覽器可以查看企業網內部的設備運行情況。施耐德公司已經為Modbus 注冊了502 端口，這樣就可以將實時數據嵌入到網頁中，通過在設備中嵌入Web 服務器，就可以將Web 瀏覽器作為設備的操作中斷，非常方便。目前已經有專門的Modbus 組織來討論將Modbus TCP 協議推廣，使得Modbus TCP/IP 日漸成為目前工業以太網事實上的行業標準，并促進了以太網在傳感器和設備級別的應用。
美國羅克韋爾公司于2000 年公布了工業Ethernet 規范，稱為Ethernet/IP。Ethernet/IP 是一種工業網絡標準，它很好地采用了當前應用廣泛的以太網通信芯片以及物理媒體。IP 代表Industrial Protocol，以此來與普通的以太網進行區別。它是將傳統的以太網應用于工業現場層的一種有效方法，允許工業現場設備交換實時性強的數據。Ethernet/IP 模型由IEEE802.3 標準的物理層和數據鏈路層、以太網的TCP/IP 協議和控制與信息協議CIP 三部分組成。CIP 是一個端到端的面向對象并提供了工業設備和高級設備之間的連接的協議。CIP 有兩個主要目的，一個是傳輸同I/O 設備相連接的面向控制的數據，另一個是傳輸同其他被控系統相關的信息，如組態、參數設置和診斷等。CIP 協議規范主要由對象模型、通用對象庫、設備行規、電子數據表、信息管理等組成。Ethernet/IP 協議就是在Ethernet 上的CIP 協議，IP 地址即插即用互操作的通用策略、裝置描述和恢復機制；網絡診斷議案；使用Web 技術；一致性測試需求；消除協議間差異的應用接口等都是Ethernet/IP 模型的工作重點。
基金現場總線FF 于2000 年也公布了工業Ethernet 規范，稱為HSE（High SpeedEthernet，高速以太網）。作為原有高速總線H2 的替代，HSE 是以太網協議IEEE802.3、TCP/IP 協議族和FF H1 的結合體，運行在100Base-T 以太網上，能支持低速總線H1 的所有功能，是對H1 的補充和增強。FF 現場總線基金會明確將HSE定位于實現控制網絡與互聯網Internet 的集成。由HSE 連接設備將H1 網段信息傳送到以太網的主干上并進一步送到企業的ERP 和管理系統。操作員在現場主控室可以直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況。HSE 通信模型有OSI 參考模型中的物理層、數據鏈路層、網絡層，傳輸層和應用層，并在應用層上增加了用戶層，形成6層的通信模式。在第四層，HSE 直接采用以太網+TCP/IP 的結構形式。底層采用標準以太網IEEE802.3μ的最新技術和CSMA/CD 鏈路控制協議來進行介質的訪問控制。采用TCP/IP 協議實現面向連接和無連接的數據傳送，并為分布式主機控制系統（DHCP）、簡單網絡時間協議（SNTP）、簡單網絡管理協議（SMNMP）和現場設備訪問代理（FDA Agent）提供傳輸服務。HSE 系統和網絡管理代理、功能塊、HSE 管理代理和現場設備訪問代理都位于用戶層和應用層，提供設備的描述和訪問，功能塊無需添加任何專用設備即可直接連入高速網絡，同時也從另一個方面增強了HSE 設備的互操作性，并通過鏈接設備（Linking Device）將FF H1 網絡鏈接到HSE 網段上。HSE 鏈接設備同時具有網橋和網關的功能，其網橋功能能夠用來連接多個H1 總線網段，使不同H1 網段上的H1 設備之間能夠對等通信而無需主機系統的干預。HSE主機可以與所有鏈接設備和連接設備上掛接的H1 設備進行通信，使操作數據能傳送到遠程的現場設備，并接受來自現場設備的數據信息，實現監控和報表功能。監視和控制參數可直接映射到標準功能或者“柔性功能塊”（FFB）中。
2.3.3 以太網在工業通信領域應用的優劣及改進
經過上文的對比我們可以看出，與各種現場總線相比較，以太網具有非常明顯的優勢。
第一，以太網通信的開放性好。由于有標準的TCP/IP 協議作為底層，不同廠商的設備之間很容易互聯。這種特性非常適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題。以太網是目前應用最為廣泛的局域網技術，遵循國際標準規范IEC/ISO802.3，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發，如Java、Visual C++、HDL 語言等。
第二，數據傳輸的成本和費用低廉。由于以太網的應用最為廣泛，受到了硬件開發商和生產廠商的高度重視與廣泛支持，因此多種硬件產品供用戶選擇；與目前眾多的現場總線相比，價格也低廉得多（以太網網卡和線纜的價格比大多數現場總線的網卡和線纜的價格要低很多，約為后者的1/10）。在工程和應用方面，由于以太網已經沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，并對以太網的設計、開發和應用等有很多的經驗。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發，有多種開發格局可供選擇。現有的大量資源可以極大的降低以太網系統的開發、培訓和維護費用，從而可有效降低系統的整體成本，加快系統的開發和推廣速度。
第三，數據傳輸速率很高。以太網支持的數據傳輸速率包括10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s,比目前任何一種現場總線都快，可以為工業通信提供足夠的帶寬。而且以太網資源共享能力強，在總線機制中利用以太網作為現場總線，很容易將I/O數據輸入到信息系統中，數據很容易以實時方式與信息系統上的資源、應用軟件和數據庫共享；以太網從扁平的總線共享模式發展到結構化的交換模式以后，任何一種段之間的通信通過交換機實現透明轉發，由于可以給每個端口都配置獨立的沖突域（Collision Domain），不存在信道共享引起的競爭問題，系統的通信容量成倍增加。相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕，而網絡負荷的減輕則意味著傳輸效率的提高。
第四，遠程技術的應用。以太網由于具有比較通用的協議，很容易與Internet連接。在可能的情況下，幾乎在任何城市、任何地方都可以利用Internet 網絡對企業的生產情況進行監視控制，而Web 技術和以太網技術的結合，實現了生產過程的遠程監控、遠程設備管理、遠程軟件維護和遠程設備診斷。
第五，容易與信息網絡集成，有利于資源共享。由于TCP/IP 協議的通用性，以太網可以實現辦公自動化網絡和工業控制網絡、工業控制網絡和企業信息化網絡之間的無縫連接；隨著實時嵌入式操作系統和嵌入式平臺的發展，嵌入式控制器，智能現場測控儀器儀表可以方便的介入以太網控制網絡，直至與Internet 相連；容易與信息網絡集成，組建統一的企業信息化網絡。網絡上的用戶無論處于什么地方，也無論資源的物理位置在哪里，都能使用網絡中的共享數據、設備及其他服務，極大的解除了地理位置上的束縛，這種強大的資源共享能力得益于以太網的巨大用戶群，是目前其他任何一種現場總線都無法比擬的。第六，支持多種物理介質和拓撲結構。以太網支持多種傳輸介質，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無線等，使用戶可根據帶寬、距離、價格等因素作多種選擇。以太網支持總線型和星型拓撲結構，可擴展性強，同時可采用多種冗余連接方式，提高網絡的性能。
第七，工業以太網的可持續發展潛力巨大。目前，以太網已經無可爭議的成為管理層的主要網絡技術，監控層也逐漸由RS-485、RS-232 等串行通信方式逐漸統一到以太網。而對于現場設備層，由于技術、經濟和政治等方面的因素，以太網還沒有直接應用于工業控制網絡，市場上形成了多種現場總線并存的局面，這就給以太網工業應用的發展提供的巨大的潛力空間。
總之，與傳統的總線傳輸相比較，工業以太網的優勢是顯而易見的，如表2-1所示。
當然，盡管以太網具備以上諸多的優點，但作為信息技術的基礎，以太網是為IT 領域應用而開發的，傳統上也用于商業和通信的局域網絡，最初的以太網主要目的是分布的主機之間的資源共享，只考慮到傳輸數據，因此采用共享式，網上所有節點訪問網絡的機會相等。同時，采用CSMA/CD 介質訪問機制來處理信道的競爭和沖突。采用這種機制，以太網上各站點無需要依靠中心控制就能進行數據發送。當網絡負荷較小時，沖突很少發生，因此延遲低。當網絡負荷增大時，就容易出現沖突，網絡性能隨之降低。由于沖突的處理具有隨機性，因此數據發送的通信延遲不確定，不能保證通信的實時性。因此，以太網直接引入工業控制網絡，還需要解決以下突出的幾個問題：
表2-1 總線傳輸與以太網傳輸優缺點比較
首先，以太網的信息傳輸存在實時性差和不確定性，以太網在MAC 層采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）的媒體訪問機制，各個節點采用二進制指數后退算法處理沖突，因此具有通信延遲不確定的缺陷，也就是實時性的問題，并成為它在工業控制現場設備層實時環境中應用的主要障礙。特別當網絡負荷較重時，以太網不能滿足工業控制的實時性要求。而對于工業現場控制網絡，以太網通信延遲的“不確定性”會導致系統控制性能下降，控制效果不穩定，甚至會引起系統振蕩；在有緊急事件信息需要發送時，還會因報警信息不能及時得到響應，而導致災難事件的發生，這是它應用于工業控制網絡的另一個主要障礙。雖然以太網交換技術、全雙工通信技術以及IEEE802.1p&q 規定的優先級技術在一定的程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：以太網交換機的存儲轉發機制同樣是通信延遲具有不確定性，通信延遲的不確定性主要來自于其排隊延遲。無論采用那種存儲轉發機制，當同時來自于多個端口的報文需要向同一個端口轉發時，交換機就必須將這些報文進行排隊緩沖，并依次轉發。因此，交換機的緩沖池大小將直接影響了來自于某一端口的報文能否及時被成功轉發；另外，以太網交換機存在著“廣播風暴”問題，由于對于ARP，組播等協議，以太網有著其固有的處理方式，這種處理方式應用在工業數據通信網絡中用來發送實時數據報文時，同樣會產生碰撞。
其次，以太網的可靠性，安裝在工業現場的設備應該具有高可靠性，即能夠抗沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及具有比較好的電磁兼容性。而傳統的以太網主要應用于辦公自動化領域，其所用插接件、集線器、交換機和通信線纜都是為辦公室應用而設計的，抗干擾能力差，難以滿足工業現場的惡劣環境要求。同時，在工廠環境中，以太網抗電磁干擾（EMI）性能較差，很多以太網絡設備的總線供電機制如果用于危險場合，以太網不具備本質安全性能。因此以太網不能通過信號線向現場設備供電。
最后，以太網缺乏應用于工業控制領域的應用層協議，以太網標準僅僅定義了ISO/OSI 參考模型的物理層和數據鏈路層，即使再加上TCP/IP 協議也只是提供了網絡層和傳輸層的功能，兩個設備想要正常通信，必須使用相同的語言規則，也就是說還必須有統一的應用層協議，目前，商用計算機通信領域采用的應用層協議主要是FTP（文件傳輸協議）、Telnet（遠程登錄協議）、SMTP（簡單郵件傳輸協議）、HTTP（超文本傳輸協議）等。這些協議所規定的數據結構等特性不符合工業控制現場設備之間的實時通信要求。因此，需要制定統一的適用于控制領域的應用層協議。這也是本文主要的研究動機之一。
隨著以太網技術的發展，可以根據現場設備之間通信的特點，在以太網協議基礎上增加一些改進措施，使以太網可以直接應用于工業現場設備間的實時通信。隨著以太網傳輸速率的提高和以太網交換技術的發展，上述問題在工業以太網中正在被迅速的解決，并使以太網全面應用于工業控制領域乃至全面應用于制造企業信息化全程中成為可能。針對工業現場設備間通信具有實時性強、數據信息短、周期性較強等特點和要求，經過認真細致的調研和分析，采用一些技術可以解決以太網應用于現場設備間通信的關鍵問題。其中包括以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數據通信調度控制策略、簡化通信軟件層次、現場設備層網絡微網絡化等針對工業過程控制的通信實時性措施，解決了以太網通信的實時性。總體上來說，以太網用于工業自動化，對傳統以太網在四個方面進行了改進：
一、信息傳輸實時性和確定性的改進
最近幾年來，以太網技術有了長足的進步，其中，交換式以太網技術、高速以太網技術、虛擬局域網（VLAN）技術、全雙工通信技術、IP 的服務質量（QoS）技術的發展與相互結合和應用，大大的提高了以太網系統中的信息傳輸的實時性、確定性。特別是快速以太網與交換式以太網技術的發展，給解決以太網的非確定性問題帶來了契機，使這一應用成為可能：首先，以太網的通信速率從10Mb/s、100Mb/s發展到現在的1000Mb/s、10Gb/s，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意
味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞幾率大大下降，這樣通信介質的占用時間也將隨之降低，有效的降低了網絡碰撞的概率。第二，在應用過程中，系統可采用全雙工通信技術使端口之間的兩對雙絞線（或光纖）分別同時接受和發送數據，從而使系統不再受到CSMA/CD 的約束，這樣，任一節點發送報文幀時不會再發生碰撞，沖突域也就不復存在，不會產生方式沖突；還可以采用虛擬局域網（VLAN）技術對網絡系統進行不同的功能層、不同的部門區分的邏輯劃分，增強網絡系統中數據傳輸的實時性、安全性和確定性。IP 的服務質量（QoS）技術的應用則能使本設計方案在網絡系統中區分實時和非實時數據，識別數據的優先級，實時監控網絡系統中數據傳輸，優化、控制網絡通信負荷，提高系統中數據傳輸的實時性、確定性。第三，在實時性要求高的環境中采用星型網絡拓撲結構，采用專用的工業交換機來分割總線上的沖突域，實現數據傳輸信道的獨享。交換機將網絡劃分為若干個網段，由于交換機具有數據存儲、轉發的功能，各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生碰撞；同時交換機還可以對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其他網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。
在（全雙工通信），或碰撞幾率大大降低（半雙工通信），為此Ethernet 通信的確定性和實時性將大大提高。
另外，還可以采用軟件方式來解決工業數據傳輸的實時性問題，就是在一定的帶寬資源基礎上，由軟件調度實現實時、確定性通信功能。
二、通信可靠性的改進
為了適應工業現場惡劣環境的要求，一些廠家已經推出了工業級的以太網設備，用于提高以太網的可靠性。在實際應用中，主干網絡可采用光纖傳輸，現場設備的連接可采用屏蔽雙絞線。對于重要的網段和節點的通信器件采用冗余配置和自動無縫切換（熱備份），在可能的情況下配置一個實時監控軟件，不斷監視整個網絡的通信狀況以及每一個節點的軟硬件工作情況，一旦發現異常，就能夠迅速將故障點隔離開來，并做出相應報警。所有這些手段都可以有效地提高以太網通信的可靠性和穩定性。
以太網的插接件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室的應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境的要求。在工廠環境中，以太網抗干擾性能較差。若直接將辦公用的以太網用于危險場合，則不具備本質安全特性，也不允許具有通過信號線向現場儀表供電的性能，辦公環境和工業生產環境的對比如表2-2 所示。
表2-2 辦公室環境和工業現場環境的比較
隨著網絡技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。在不間斷的工業領域，為了解決在極端條件下網絡也能夠穩定工作的問題，美國Synergetic 微系統公司和德國Hirschman 公司專門開發和生產了導軌式收發器、集線器和交換機系列產品，安裝在標準DIN 導軌上，并有冗余電源供電，插接件采用牢固的DB-9 結構。同時，各大老牌網絡設備制造商如美國Cisco 公司、加拿大Nortel 公司對其已有的產品進行改進，使之能夠具有冗余電源備份，耐高溫、耐沖擊性大大提高，以適應工業現場的各種特殊需求，而我國的本土網絡制造企業華為也對已有的網絡產品進行改進，以滿足工業現場對以太網的要求。控制領域的領先者，我國臺灣省的企業研華公司也針對工業通信行業推出了相應的工業以太網產品。
現在的工業Ethernet 現場總線采用一種稱為連接裝置（Linking Device）的類似帶開關的集線器結構，很好地解決了Ethernet 的時間確定性問題。目前，Profibus、 DeviceNet、ControlNet 和LonWorks 等都打算使用Ethernet。這些公司都在研究通過隧道（Tunnel）的簡單傳輸機構，使用Ethernet 傳送報文傳統的Ethernet 并不是為工業應用而設計的，沒有考慮工業現場環境的適應性需要。由于工業現場的機械、氣候、塵埃等環境條件非常惡劣，因此對設備的工業可靠性提出了更高的要求。在工廠環境中，工業網絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。
三、本質安全和總線供電
本質安全是與隔爆型技術相對比而言的，本質安全技術采用抑制點火源能量的防爆手段。實現本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本質安全防爆技術。由于以太網收發器本身的功耗都比較大（300W 左右），基于以太網的低功耗現場設備和交換機的設計比較困難。對以太網系統采用隔爆防爆的措施非常必要。
總線供電指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供工作電源。如果要求總線供電保持本質安全，需要采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，為此，各工業領域的以太網制造廠商都設計了能實現網絡供電或者總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。
對現場設備的總線供電可采用以下兩種方法：第一，在目前的以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范，將以太網的曼徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離開來。采用這種方法時必須注意，修改后的以太網應在物理層上與傳統以太網兼容；第二，不改變目前物理層的結構，及應用與工業現場的以太網仍然使用目前的物理層協議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供電源。相比而言，第一種方法雖然實現了與傳統DCS 以及FF、Profibus 等現場總線所采用的總線供電方法一致，做到了一線二用，節省了現場布線，但這種修改后的以太網設備與傳統以太網設備不再能夠直接互聯，而必須增加額外的轉接設備才能實現與傳統以太網設備（如計算機的以太網卡）的連接。
四、工業控制中使用Ethernet 如何獲得技術支持
通常可以采用軟件解決方案來提高Ethernet 在工業領域的性能，其特點為：第一，在一定的帶寬資源基礎上，由軟件調度實現實時、確定性通信功能；第二，改進協議。對工業數據報劃分不同的優先級，根據優先級的不同，依據“傳輸前等待優先權以太網“算法征用信道，保證重要實時數據優先獲得信道使用權；第三，在傳輸層采用UDP 比TCP 協議更能滿足實時性的要求；第四，通過設計新的應用層協議來更好地利用以太網的特性為工業數據通信服務，重新定義應用層服務和協議，是應用進程之間能夠通過這些服務相互傳遞信息，比如，定義基于XML 可擴展標記語言的設備描述方法等。
由于采用與商用以太網相同的技術，因此工業以太網具有最廣泛的支持網絡和資源。國際上成立了工業以太網協會（www.industrial.ethernet.com）和IAONA（www.iaona.com），并與研究中心等機構合作，開展工業以太網關鍵技術的研究。美國電氣工程師協會（IEEE）正著手制定現場裝置與以太網通信的新標準，該標準讓網絡直接看到對象（object）。這些工作為以太網進入工業自動化的現場打下了基礎。
五、Ethernet 與網絡安全的問題
工業系統的網絡安全是工業以太網應用必須考慮的另一個安全性問題。工業網絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅。一般情況下，可采用網關或者防火墻等對工業網路與外部網絡進行隔離，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制加強網絡的安全管理。在特別重要的應用場合，甚至可以用物理隔絕的工業以太網來保證安全。
在工廠運用互聯網技術并不意味著工廠網絡一定要連接到互聯網。如果采用網絡的工廠連入互聯網均適用TCP/IP，這樣就面臨互聯網類似的安全問題，這時候可以采用互聯網的安全解決方案如采用RSA、VPN 提供遠程訪問，利用身份識別技術（硬件、軟件），用戶權限、用戶密碼的安全機制等。隨著生物信息技術的發展，指紋、聲音等生物信息的應用也將會提高網絡的安全性能。
2.4 國內液晶生產線現狀及行業特點
液晶制造行業在國內尚未有成形的現代化生產線，也沒有成功的企業信息系統可以供參考，摸著石頭過河成為液晶行業MES 實施的主題，本節將從液晶行業信息化實施背景出發，分析了液晶行業的行業特點。
2.4.1 液晶顯示器的材料組成及目前技術發展情況
LCD 為英文Liquid Crystal Display 的縮寫，即液晶顯示器，是一種數字顯示技術，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產生圖像。 當前LCD液晶顯示器正處于發展的鼎盛時代，技術發展非常迅速，已由最初的TN－LCD（扭曲向列相），發展到STN－LCD（超扭曲向列相），再到當前的TFT－LCD（薄膜晶體管）。LCD 現已發展成為技術密集、資金密集型的高新技術產業。液晶顯示器主要由導電玻璃、液晶、偏光片、封接材料（邊框膠）、導電膠、取向層、襯墊料等組成。液晶顯示器制造工藝流程就是這些材料的加工和組合過程。
2.4.2 液晶顯示器制造行業特點
由于液晶顯示器（LCD）市場的變化需求很快，這就要求LCD 生產企業有必要建立起一套面向市場的生產組合，能迅速根據市場需求進行生產；而LCD 要求的大批量生產也希望建立起一套通過簡單輸入就能反映經營者判斷的管理系統；同時，出于液晶面板材料和設備零部件供應周期長，需要建立起包括客戶、零部件供應商在內的供應鏈系統（SCM）。結合制造行業生產線控制系統分析可以發現，LCD 生產企業有以下的行業特點：
第一，生產設備復雜，生產階段分明。整個生產線分成三個階段，分別位于三個車間，陣列（工藝上又稱ARRAY）車間以液晶基板的生產為主，玻璃基板開始輸入到陣列廠房，經過清洗和一系列化學處理以后，輸出可以作為液晶面板使用的液晶玻璃；成盒（工藝上稱CELL）車間主要將液晶玻璃和彩色濾光片貼合，并根據需要切割成不同尺寸的液晶面板；模塊（又稱MODULE 或者LCM）車間將切割后的面板加上背光源，驅動電路和各種接口形成可以接駁顯示源的顯示器。
第二，各生產階段自動化程度逐漸降低。三個車間中，陣列車間的生產由于涉及大量的化學設備、有毒有害裝置和放射性設備，對自動化要求程度最高，車間內無操作人員，液晶基板的運輸通過自動搬運裝置（Automated Guided Vehicle，簡稱AGV）實現；模塊車間工序繁多復雜，而且由于客戶需求不同變動較大，需要人工校準的工序眾多，因此自動化要求最低，操作人員流動性很大；成盒車間介于兩者之間，有部分操作人員，半自動設備居多，需要部分操作人員進行現場操作，設備基本固定。
第三，生產區域潔凈度要求較高。由于日常空氣中的微小顆粒會對液晶面板的品質產生很大影響，液晶生產需要在無塵的環境下進行，各個階段的生產工藝對無塵的要求不一致，陣列廠房在對玻璃基板進行化學反應的時候無塵要求最高；成盒廠房次之；模塊廠房由于液晶面板已經封裝，對無塵要求最低。
第四，生產工藝連貫性強，要求全線生產。液晶面板的生產工藝復雜，每道工序對輸入輸出的時間要求很強，前一道工序完成后，后一道工序必須要在某個時間內進行，否則就會產生不良品，這對生產線控制的可靠性提出了很高的要求。總之，和一般行業相比，液晶制造行業所具有的行業特點如表2-3 所示：
表2-3 液晶制造行業特點
2.5 MES 實施中的數據采集問題
鑒于作為實例的液晶面板生產線具有的特點，并要求實時對生產線監視控制，這樣MES 的實施就面對了兩個無法回避的問題：如何統一將生產設備采集到的數據送入MES 系統數據庫，如何把MES 系統中的控制信號快速送到設備從而執行，本文將主要解決前一個問題，并提出后一個問題的解決方案。
生產設備來自各個廠商，并且在每個車間的生產設備通信制式和通信特點有著很大的差別，經過對比后，對于不同設備之間、設備與MES 服務器之間的通信，MES系統采用了工業以太網進行通信，針對通信制式不統一的問題，開發出適合于工業生產線的高層協議，通過協議封裝的方式來解決通信格式不統一的問題。
MES 系統會根據生產的進度需要對各個設備發出控制命令，通過分析研究，最終采用的解決方案簡述為：將這些控制命令按照車間劃分統一先傳到一個控制終端服務器（Virtual Flexible Communication Terminal Server，簡稱VFCT 服務器），VFCT 服務器會和終端設備保持高速的同步，以便能將控制信號實時的送到設備上進行執行。
2.6 本章小結
本章主要分析了液晶生產企業的行業特點，針對這種行業特點對MES 的實施進行需求分析；對通信行業在制造型企業中的發展歷史做了回顧，通過對工業通信網絡系統及以太網在工業中應用進行了分析比較。指出傳統的總線傳輸機制和新興的工業以太網的優劣，提出對以太網的改進的方法并進行進一步闡述。
相關連載：
工業以太網在MES系統中的應用（一）上
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96196.htm
工業以太網在MES系統中的應用（一）下
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工業以太網在MES系統中的應用（二）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96220.htm
工業以太網在MES系統中的應用（三）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96236.htm
工業以太網在MES系統中的應用（四）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96262.htm
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本文標題：工業以太網在MES系統中的應用（一）下
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