【正文】 外文文獻(xiàn)譯文 .......................................................1 外文文獻(xiàn)原文 .......................................................14 譯文 工業(yè)以太網(wǎng)與智能建筑 1 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生的背景 (1) 統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)成為泡影，誘惑依然 1984 年美國(guó)著手制定現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，若干年以來，世界各大公司為了商業(yè)的利益，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)始終不能統(tǒng)一。通過多次投票、協(xié)商， 2020 年 1 月宣布的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 將八種總線（ Profibus， Interbus， PNET， Worldfip 等）同時(shí)列為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（目前已達(dá) 10 種），形成一個(gè)妥協(xié)的結(jié)果。 同時(shí)，國(guó)外各大公司又推出了自己的標(biāo)準(zhǔn)，如 LONWORKS、 CAN、日本三菱、法國(guó)Schneider 等，目前多種總線的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)，不同標(biāo)準(zhǔn)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?cè)谂で笠环N統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化的管控一體化 企業(yè)信息化是我國(guó)的國(guó)策，以制造自動(dòng)化及信息化為例：在需要改變業(yè)務(wù)流程度的同時(shí)，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(dòng)化已從單機(jī)自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化，向系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展，底層的信息要集成到上層的信息網(wǎng)上以實(shí)現(xiàn)管控一體化 。 現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)為一個(gè)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(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)； 1 ? 控制層 從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備取得數(shù)據(jù)，完成各種控制，監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)，報(bào)警和歷史 趨勢(shì)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(jí)管理網(wǎng)絡(luò)（ TCP/IP 以太網(wǎng)），以便實(shí)現(xiàn)管控一體化 。 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(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)信息共享，必須實(shí)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)。 由于各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(gè)統(tǒng)一的協(xié)議，各子系統(tǒng)及各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接接到以太網(wǎng)上以簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成的技術(shù)難度，降低成本，使控制信號(hào)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 2 以太網(wǎng)與 CSMA/CD (1) 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)（ Ether） 1975 年由美國(guó) 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 EtherV2，是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)規(guī)范。 1983 年 IEEEE802 委員會(huì)以 DIX EtherV2 為基礎(chǔ)推出了 IEEE803，采用了CSMA/CD 介質(zhì)訪問控制技術(shù)。 是指采用 CSMA/CD 的網(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)由 DIX EtherV2 定義，在不嚴(yán)格的情況下，可以稱之為 局域網(wǎng)，也就是以太網(wǎng)。 。以現(xiàn)代制造業(yè)為例，其現(xiàn)代制造自動(dòng)化模型如圖 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(cè)） CSMA/CD 最早是由 CSMA 改進(jìn)而來。 ① CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問）：一個(gè)站要發(fā)送信號(hào)，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(hào)。 ? 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(dāng)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(hào)：非堅(jiān)持 CSMA、 1—堅(jiān)持 CSMA、P—堅(jiān)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(cè)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(gè)干擾阻塞信號(hào)，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(fèi)。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加大，碰撞的機(jī)會(huì)會(huì)增加，網(wǎng)絡(luò)效率明顯下降。 3 3 工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn) (1) 技術(shù)成熟，使用方便 以太網(wǎng)是美國(guó) XEROX 公司于 1975 年推出的，至今已有30 年歷史，得到全世界眾多廠家的支持，在軍事、工業(yè)、民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 (2) 具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開放性好 采用統(tǒng)一的 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) CSMA/CD，是 采用的介質(zhì)訪問控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同廠家之間的產(chǎn)品互聯(lián)，是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。 (3) 通信速率高，傳播速度快 以太網(wǎng)的通信速率目前已經(jīng)由 10M 提高到 100M、 1 000M，甚至 10G。 (4) 可分段地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、診斷和維護(hù)。 (5) 支持冗余連接配置，數(shù)據(jù)可達(dá)性強(qiáng) 數(shù)據(jù)有多條通路，可達(dá)目的地。 (6) 系統(tǒng)容量大，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)擴(kuò)大出現(xiàn)不可預(yù)料的故障，有成熟可靠的系統(tǒng)安全體系。 (7) 投資 成本低，包括初期投資、培訓(xùn)費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用。 (8) 線路采用變壓器雙端隔離或光纖，抗干擾性強(qiáng)。 4 4 工業(yè)以太網(wǎng)目前存在的問題 現(xiàn)場(chǎng)總線是用于工業(yè)控制并為復(fù)雜而又惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的，因此對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，對(duì)供電方式使用環(huán)境有特殊要求。由于以太網(wǎng)是為信息通信而設(shè)計(jì)的，用于工業(yè)控制存在以下問題： (1) 以太網(wǎng)采用 CSMA/CD 訪問協(xié)議，這是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的控制系統(tǒng)，這種不確定性將造成信息不能按要求傳遞。同一網(wǎng)段上受到 CSMA/CD媒體訪問控制方式的制約。 所謂網(wǎng)段是指連在同一共享式網(wǎng)絡(luò)總線上，可以偵聽到對(duì)方發(fā)出的信息，處于同一沖突碰撞區(qū)域（指會(huì)發(fā)生沖突碰撞的區(qū)域）的工作站和服務(wù)器連成的網(wǎng)絡(luò)區(qū)。例如在一個(gè)沖突碰撞區(qū)域中有一個(gè)工作群組（由一臺(tái)服務(wù)器和多臺(tái)工作站組成），當(dāng)多臺(tái)工作站訪問一個(gè)服務(wù)器時(shí)，由于受 CSMA/CD 的約束，同一時(shí)刻只允許一個(gè)工作站與服務(wù)器通信，其它工作站只能等待。各工作站爭(zhēng)搶通信信道，從而使工作站的通信產(chǎn)生延時(shí)，而且這種延時(shí)時(shí)間是不確定的，工作站愈多爭(zhēng)搶通信等待時(shí)間愈長(zhǎng)，這種情況被稱為負(fù)荷愈重等待時(shí)間愈長(zhǎng)。 若在一個(gè)碰撞域中，假設(shè)有兩個(gè)工作群 組，處于一個(gè)碰撞域中，第一個(gè)工作群組工作站訪問服務(wù)器時(shí)，要競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)寬帶（例如 100M），另一個(gè)工作群組中所有工作站及服務(wù)器都處于等待狀態(tài)而無法運(yùn)行。兩個(gè)工作群組要分割原有網(wǎng)絡(luò)寬帶（ 100M），一個(gè)工作群組工作時(shí)，另一個(gè)群組必須等待，這樣不僅具有延時(shí)，而且這種延時(shí)是不確定的。由于 CSMA/CD 有無法預(yù)見的延時(shí)，特別在重負(fù)載下，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送更得不到保證。控制系統(tǒng)要有實(shí)時(shí)性保證，必須在任何時(shí)間都要及時(shí)響應(yīng)，不允許有任何不確定性。因此以太網(wǎng)用于控制系統(tǒng)必須解決實(shí)時(shí)性和不確定性問題。 (2) 以太網(wǎng)在可靠性方面不如 現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)易燃、易爆（如化工、制藥）、干擾強(qiáng)烈場(chǎng)合及其它環(huán)境惡劣的場(chǎng)合?，F(xiàn)場(chǎng)總線有屏蔽，接地與防爆等措施，而以太網(wǎng)需要解決這些問題。 (3) 現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范要求網(wǎng)段上配有電源，為所有非自供電的設(shè)備提供電源，而以太網(wǎng)不提供電源，必須增加額外的供電電纜。 5 5 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用可行性 工業(yè)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制，對(duì)于上述問題，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)措施的實(shí)施，其實(shí)時(shí)性及可確定性取得很大改善： (1) 不斷提高以太網(wǎng)速率：近來年以太網(wǎng)的速率由 10Mbps、 100Mbps 增加 到 1 000Mbps 并已廣泛應(yīng)用。目前 10Gbps 的以太網(wǎng)已經(jīng)商業(yè)化，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間大大縮短，響應(yīng)時(shí)間得到提高，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及不可確定性得到了改善。 (2) 采用交換機(jī)以太網(wǎng)技術(shù)：由于共享式以太網(wǎng)工作站點(diǎn)爭(zhēng)搶信道而產(chǎn)生沖突碰撞影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和不確定性，采用交換機(jī)以太網(wǎng)技術(shù)可使其得到改善。交換型的以太網(wǎng)中采用以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)各端口之間同時(shí)可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)端口可連一個(gè)網(wǎng)段，端口之間幀的輸入和輸出不再受 CSMA/CD 介質(zhì)訪問控制協(xié)議的約束。當(dāng)系統(tǒng)包括多個(gè)工作群組，一般讓每個(gè)組群?jiǎn)为?dú)組成一個(gè)網(wǎng)段， 每個(gè)網(wǎng)段占用交換器（機(jī)）一個(gè)端口（如圖 4 所示交換機(jī)有 A、 B、 C、 D 四個(gè)網(wǎng)段），各網(wǎng)段的工作大部分時(shí)間是獨(dú)立的，當(dāng)任意兩個(gè)網(wǎng)段需要信息交換時(shí)，交換機(jī)能在 2 個(gè)獨(dú)立網(wǎng)段之間建立信息通道一旦信息交換結(jié)束，通道即斷開。 由此看出，交換式以太網(wǎng)可以克服共享式以太網(wǎng)存在的問題： ? 交換機(jī)每個(gè)端口上，可連接一個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段可獨(dú)享帶寬； ? 交換機(jī)每個(gè)端口上，所接網(wǎng)段之間是獨(dú)立的、被隔離的，如需要網(wǎng)段間進(jìn)行信息通信的話，可以暫建立信息信道，經(jīng)過交換機(jī)的隔離，可大大減小沖突發(fā)生的概率，改善實(shí)時(shí)性和不確定性； ? 交 換機(jī) VLAN 技術(shù)的普遍采用，使交換系統(tǒng)能夠分配給控制信息點(diǎn)專有的通道和帶寬，從而保證在網(wǎng)絡(luò)繁忙的時(shí)候，控制系統(tǒng)仍有足夠?qū)捲５膸?，使以太網(wǎng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和不確定性基本上保持在理論的水平上。 (3) 在某些應(yīng)用場(chǎng)合允許的情況下，盡量將控制網(wǎng)與信息網(wǎng)分割開來使用，以避免實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的碰撞，使工業(yè)控制站點(diǎn)之間的以太網(wǎng)為獨(dú)立網(wǎng)段，從而改善實(shí)時(shí)性和不確定性。除此之外，還可以采用全雙工技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，以及在Ether+TCP/IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范等措施。采取以 上措施可以使工業(yè)以太網(wǎng)在某些軍事、工業(yè)、民用的領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控中得到初步應(yīng)用。例如，國(guó)外不少國(guó)家核加速器最新測(cè)控方案選擇了以太網(wǎng)，除此之外汽車裝 6 配線、薄鋼生產(chǎn)線等均采用工業(yè)以太網(wǎng)的方案，從測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展方向上看，工業(yè)以太網(wǎng)將是未來測(cè)控領(lǐng)域中的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是企業(yè)管控一體化和智能建筑系統(tǒng)集成的一種最佳方案。 (4) 以太網(wǎng)的供電問題，多年來一直是一個(gè)缺陷，特別是隨著 IP 電話、 IP 攝像機(jī)、無線 AP、 ENC（ Ether Control System）等系統(tǒng)的應(yīng)用，人們更提出以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送 部分能量，以滿足小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用電的需求，解決小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的無序狀態(tài)和居高不下的電源布線成本。因此 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)呼之即出，已形成一個(gè)以太網(wǎng)供電的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前 3COM、華為、 DLINK 等公司都有符合 標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)產(chǎn)品。 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的核心是在滿足 標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，由交換機(jī)向網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備提供 48V或 24V電源，至此工業(yè)以太網(wǎng)的供電問題得到很好的解決，其原理如圖 1所示。 圖 1 以太網(wǎng)自供電原理圖 (5) 以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò)形式， TCP/IP 協(xié)議是一種開放通信協(xié)議。安全問題不屬于網(wǎng)絡(luò)形式和 TCP/IP 協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的安全性最終關(guān)心的是在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膽?yīng)用層信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及傳輸?shù)陌踩煌夂鮾煞N方式：專有獨(dú)立通道和信息加密。前一種方式目的是讓不該得到的得不到，后一種方式讓不該得到的得到了也不知道。以太網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)交換技術(shù)現(xiàn)已 成為一種最基本的網(wǎng)絡(luò)專用通道技術(shù)，已經(jīng)非常成熟并廣泛使用。以太網(wǎng)可以很方便的將需要的通道隔離出來。 Inter 的信息加密是 TCP/IP 之上的基本與之無關(guān)的應(yīng)用信息處理方法。信息在發(fā)出之前要進(jìn)行加密處理，信息在使用之后要進(jìn)行解密處理。現(xiàn)在基本上都采用公開的加密算法，