工業(yè)以太網(wǎng)與智能建筑[1]
1 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生的背景
(1) 統(tǒng)一現(xiàn)場總線標準成為泡影，誘惑依然
1984年美國著手制定現(xiàn)場總線國際標準，若干年以來，世界各大公司為了商業(yè)的利益，現(xiàn)場總線標準始終不能統(tǒng)一。通過多次投票、協(xié)商，2000年1月宣布的現(xiàn)場總線國際標準IEC61158將八種總線（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同時列為國際標準（目前已達10種），形成一個妥協(xié)的結(jié)果。
同時，國外各大公司又推出了自己的標準，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法國Schneider等，目前多種總線的標準同時存在的局面依然存在，人們所說的開放性和互操作性只能在同一種總線標準下實現(xiàn)，不同標準總線之間仍然受到限制。不同總線之間的互聯(lián)性得不到保證，因此人們在努力尋求一種統(tǒng)一標準的現(xiàn)場總線，有人提出了采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。
(2) 系統(tǒng)集成的需求
① 工業(yè)自動化的管控一體化 企業(yè)信息化是我國的國策，以制造自動化及信息化為例：在需要改變業(yè)務(wù)流程度的同時，將管理信息系統(tǒng)與電子商務(wù)、分散的網(wǎng)絡(luò)化制造加以集成，把現(xiàn)有的企業(yè)資源ERP改造成為基于WEB的應(yīng)用系統(tǒng)。目前工業(yè)自動化已從單機自動化、工廠自動化，向系統(tǒng)自動化發(fā)展，底層的信息要集成到上層的信息網(wǎng)上以實現(xiàn)管控一體化的集成系統(tǒng)。以現(xiàn)代制造業(yè)為例，其現(xiàn)代制造自動化模型如圖1所示。
現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)為一個多層的工業(yè)控制系統(tǒng)，一般分為三層：
• 設(shè)備層 聯(lián)接檢測設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)；
• 控制層 從現(xiàn)場設(shè)備取得數(shù)據(jù)，完成各種控制，監(jiān)測運行參數(shù)，報警和歷史趨勢分析等；
• 信息層 將控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)加工后傳至上級管理網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP以太網(wǎng)），以便實現(xiàn)管控一體化，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
② 智能建筑的系統(tǒng)集成 城市信息化、數(shù)字化的發(fā)展、智能建筑（包括智能化住宅小區(qū)），已成為數(shù)字化城市的信息站點，要實現(xiàn)信息共享，必須實現(xiàn)控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的縱向集成，即控制網(wǎng)與TCP/IP的以太網(wǎng)集成。各子系統(tǒng)（空調(diào)、給排水、供電……）由控制網(wǎng)互聯(lián)再經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入TCP/IP以太網(wǎng)，或者各子系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)關(guān)直接接入TCP/IP以太網(wǎng)。
智能建筑集成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 智能建筑系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
由于各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場設(shè)備通訊協(xié)議是多樣化的，這兩種集成模式都要開發(fā)網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，這樣加大了系統(tǒng)集成技術(shù)的復(fù)雜性，提高了成本。有人大膽提出能否用TCP/IP協(xié)議作為一個統(tǒng)一的協(xié)議，各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場設(shè)備直接接到以太網(wǎng)上以簡化系統(tǒng)集成的技術(shù)難度，降低成本，使控制信號直接由以太網(wǎng)傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)的概念因此被提出。
2 以太網(wǎng)與CSMA/CD
(1) 以太網(wǎng)
以太網(wǎng)（Ethernet）1975年由美國XEROX公司研制成功，由于采用無源介質(zhì)（如雙絞線、同軸電纜等）來傳播信息，所以以歷史上把傳播電磁波稱為“以太”（Ether）來命名。
1980年由DEC、INTEL、XEROX三家聯(lián)合推出了EthernetV2，是世界上第一個局域網(wǎng)規(guī)范。1983年IEEEE802委員會以DIX EthernetV2為基礎(chǔ)推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介質(zhì)訪問控制技術(shù)。
802.3是指采用CSMA/CD的網(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)的標準由DIX EthernetV2定義，在不嚴格的情況下，可以稱之為802.3局域網(wǎng)，也就是以太網(wǎng)。
工業(yè)以太網(wǎng)就是將商用以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，兩種網(wǎng)絡(luò)并沒有本質(zhì)的區(qū)別，兩者是兼容的。
(2) CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）
CSMA/CD最早是由CSMA改進而來。
① CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問）：一個站要發(fā)送信號，首先要監(jiān)聽總線，以決定介質(zhì)是否存在其它站發(fā)來的信號。
• 如果介質(zhì)是空閑的，則可以發(fā)送；
• 如果介質(zhì)正處于工作狀態(tài)，則等待一段間隔后重試，當聽到介質(zhì)處于忙狀態(tài)，CSMA有幾種不同的方法處理，可得到的偵聽信號：非堅持CSMA、1—堅持CSMA、P—堅持CSMA。
② CSMA/CD不但先聽后發(fā)，而且還邊聽邊發(fā)，總線上發(fā)生了沖突，而且一旦沖突被檢測到，便停止發(fā)送該幀，放棄自已的幀。為了使其它站也能知道產(chǎn)生了沖突，監(jiān)聽到?jīng)_突的站還向總線上傳播一個干擾阻塞信號，通知總線各站沖突已發(fā)生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費。隨著網(wǎng)絡(luò)負載的加大，碰撞的機會會增加，網(wǎng)絡(luò)效率明顯下降。
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