現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用，但現(xiàn)場(chǎng)總線這類專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高，速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，再加上總線通信協(xié)議的多樣性，使得不同總線產(chǎn)品不能互相互連，互用和互操作等，因而現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展受到了極大的限制。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠克服了自己本身的缺陷，進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng),因而使得人們可以用以太網(wǎng)設(shè)備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
1.以太網(wǎng)的主要缺陷
在講以太網(wǎng)的主要缺陷前，有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機(jī)制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。它最早出現(xiàn)在1972年，由XeroxPARC所創(chuàng)建。當(dāng)前以太網(wǎng)采用星型和總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突，其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統(tǒng)的共享網(wǎng)絡(luò)中，由于以太網(wǎng)中所以的站點(diǎn)，采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著2臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)見(jiàn)的互相沖突。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個(gè)站點(diǎn)訪問(wèn)介質(zhì)前，必須先監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上有沒(méi)有其他站點(diǎn)在同時(shí)使用該介質(zhì)。如果有則必須等待，此時(shí)就發(fā)生了沖突。為了減少?zèng)_突發(fā)生的幾率，以太網(wǎng)常采用1-持續(xù)CSMA，非持續(xù)CSMA，P-持續(xù)CSMA的算法2。由于以太網(wǎng)是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低，技術(shù)透明度高，特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場(chǎng)總線廠商大開(kāi)了方便之門，但是，要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求，還必須克服以下缺陷：
確定性
由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，更加明顯。對(duì)于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處的不確定性，必然會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)控制性能的降低。
實(shí)時(shí)性
在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件的反應(yīng)時(shí)間的可測(cè)性。也就是說(shuō)，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備，人身安全事故。
可靠性
由于以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，面對(duì)惡劣的工況，嚴(yán)重的線間干擾等，這些都必然會(huì)引起其可靠性降低。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性，可恢復(fù)性，以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。
2.以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用解決機(jī)制
針對(duì)以太網(wǎng)存在的三大缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，目前已采用多種方法來(lái)改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求。下面介紹幾種解決機(jī)制：
交換技術(shù)
為了改善以太網(wǎng)負(fù)載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，可以使用以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)。它采用將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個(gè)沖突域之間用交換機(jī)連接，以減少CSMA/CD機(jī)制帶來(lái)的沖突問(wèn)題和錯(cuò)誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的確定性，但該方法成本較高，在分配和緩沖過(guò)程中存在一定的延時(shí)。
