1 工业以太网产生的背景 (1) 统一现场总线标准成为泡影，诱惑依然 1984年美国着手制定现场总线国际标准，若干年以来，世界各大公司为了商业的利益，现场总线标准始终不能统一。通过多次投票、协商，2000年1月宣布的现场总线国际标准IEC61158将八种总线（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同时列为国际标准（目前已达10种），形成一个妥协的结果。
同时，国外各大公司又推出了自己的标准，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法国Schneider等，目前多种总线的标准同时存在的局面依然存在，人们所说的开放性和互操作性只能在同一种总线标准下实现，不同标准总线之间仍然受到限制。不同总线之间的互联性得不到保证，因此人们在努力寻求一种统一标准的现场总线，有人提出了采用TCP/IP协议的以太网。
(2) 系统集成的需求 ① 工业自动化的管控一体化 企业信息化是我国的国策，以制造自动化及信息化为例：在需要改变业务流程度的同时，将管理信息系统与电子商务、分散的网络化制造加以集成，把现有的企业资源ERP改造成为基于WEB的应用系统。目前工业自动化已从单机自动化、工厂自动化，向系统自动化发展，底层的信息要集成到上层的信息网上以实现管控一体化的集成系统。以现代制造业为例，其现代制造自动化模型如图1所示。
图1 现代制造自动化模型 现代化生产系统为一个多层的工业控制系统，一般分为三层：
• 设备层 联接检测设备和执行机构；
• 控制层 从现场设备取得数据，完成各种控制，监测运行参数，报警和历史趋势分析等；
• 信息层 将控制系统的各种数据加工后传至上级管理网络（TCP/IP以太网），以便实现管控一体化，其网络结构如图2所示。
图2 企业管控一体化网络结构图 ② 智能建筑的系统集成 城市信息化、数字化的发展、智能建筑（包括智能化住宅小区），已成为数字化城市的信息站点，要实现信息共享，必须实现控制网与信息网的纵向集成，即控制网与TCP/IP的以太网集成。各子系统（空调、给排水、供电……）由控制网互联再经网关接入TCP/IP以太网，或者各子系统经网关直接接入TCP/IP以太网。
智能建筑集成系统网络结构如图3所示。
图3 智能建筑系统集成网络结构图 由于各子系统及各现场设备通讯协议是多样化的，这两种集成模式都要开发网关，以实现协议的转换和统一，这样加大了系统集成技术的复杂性，提高了成本。有人大胆提出能否用TCP/IP协议作为一个统一的协议，各子系统及各现场设备直接接到以太网上以简化系统集成的技术难度，降低成本，使控制信号直接由以太网传输，工业以太网的概念因此被提出。
2 以太网与CSMA/CD (1) 以太网 以太网（Ethernet）1975年由美国XEROX公司研制成功，由于采用无源介质（如双绞线、同轴电缆等）来传播信息，所以以历史上把传播电磁波称为“以太”（Ether）来命名。
1980年由DEC、INTEL、XEROX三家联合推出了EthernetV2，是世界上第一个局域网规范。1983年IEEEE802委员会以DIX EthernetV2为基础推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介质访问控制技术。
802.3是指采用CSMA/CD的网络，而以太网的标准由DIX EthernetV2定义，在不严格的情况下，可以称之为802.3局域网，也就是以太网。
工业以太网就是将商用以太网应用到工业控制系统，两种网络并没有本质的区别，两者是兼容的。
(2) CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）
CSMA/CD最早是由CSMA改进而来。
① CSMA（载波监听多路访问）：一个站要发送信号，首先要监听总线，以决定介质是否存在其它站发来的信号。
• 如果介质是空闲的，则可以发送；
• 如果介质正处于工作状态，则等待一段间隔后重试，当听到介质处于忙状态，CSMA有几种不同的方法处理，可得到的侦听信号：非坚持CSMA、1—坚持CSMA、P—坚持CSMA。
② CSMA/CD不但先听后发，而且还边听边发，总线上发生了冲突，而且一旦冲突被检测到，便停止发送该帧，放弃自已的帧。为了使其它站也能知道产生了冲突，监听到冲突的站还向总线上传播一个干扰阻塞信号，通知总线各站冲突已发生，这样通道的容量不致因传送已损坏的帧而浪费。随着网络负载的加大，碰撞的机会会增加，网络效率明显下降。
3 工业以太网的特点 (1) 技术成熟，使用方便 以太网是美国XEROX公司于1975年推出的，至今已有30年历史，得到全世界众多厂家的支持，在军事、工业、民用领域得到了广泛应用。
(2) 具有统一的标准，开放性好 采用统一的IEEE802.3以太网标准CSMA/CD，是IEEE802.3采用的介质访问控制技术，可以实现不同厂家之间的产品互联，是一种开放式标准网络。
(3) 通信速率高，传播速度快 以太网的通信速率目前已经由10M提高到100M、1 000M，甚至10G。
(4) 可分段地实现远程访问、诊断和维护。
(5) 支持冗余连接配置，数据可达性强 数据有多条通路，可达目的地。
(6) 系统容量大，不会因为系统扩大出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系。
(7) 投资成本低，包括初期投资、培训费用及维护费用。
(8) 线路采用变压器双端隔离或光纤，抗干扰性强。
4 工业以太网目前存在的问题 现场总线是用于工业控制并为复杂而又恶劣环境的工业现场而设计的，因此对系统的实时性和响应时间有严格要求，对供电方式使用环境有特殊要求。由于以太网是为信息通信而设计的，用于工业控制存在以下问题：
(1) 以太网采用CSMA/CD访问协议，这是一种非确定性的网络，对于实时性要求高的控制系统，这种不确定性将造成信息不能按要求传递。同一网段上受到CSMA/CD媒体访问控制方式的制约。所谓网段是指连在同一共享式网络总线上，可以侦听到对方发出的信息，处于同一冲突碰撞区域（指会发生冲突碰撞的区域）的工作站和服务器连成的网络区。例如在一个冲突碰撞区域中有一个工作群组（由一台服务器和多台工作站组成），当多台工作站访问一个服务器时，由于受CSMA/CD的约束，同一时刻只允许一个工作站与服务器通信，其它工作站只能等待。各工作站争抢通信信道，从而使工作站的通信产生延时，而且这种延时时间是不确定的，工作站愈多争抢通信等待时间愈长，这种情况被称为负荷愈重等待时间愈长。
若在一个碰撞域中，假设有两个工作群组，处于一个碰撞域中，第一个工作群组工作站访问服务器时，要竞争网络宽带（例如100M），另一个工作群组中所有工作站及服务器都处于等待状态而无法运行。两个工作群组要分割原有网络宽带（100M），一个工作群组工作时，另一个群组必须等待，这样不仅具有延时，而且这种延时是不确定的。由于CSMA/CD有无法预见的延时，特别在重负载下，实时数据传送更得不到保证。控制系统要有实时性保证，必须在任何时间都要及时响应，不允许有任何不确定性。因此以太网用于控制系统必须解决实时性和不确定性问题。
(2) 以太网在可靠性方面不如现场总线，现场总线是为工业控制设计的，能适应易燃、易爆（如化工、制药）、干扰强烈场合及其它环境恶劣的场合。现场总线有屏蔽，接地与防爆等措施，而以太网需要解决这些问题。
(3) 现场总线规范要求网段上配有电源，为所有非自供电的设备提供电源，而以太网不提供电源，必须增加额外的供电电缆。
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