工業以太網與智能建筑[3]
5 工業以太網的應用可行性
工業以太網用于工業控制，對于上述問題，隨著以太網技術的發展和相應措施的實施，其實時性及可確定性取得很大改善：
(1) 不斷提高以太網速率：近來年以太網的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps并已廣泛應用。目前10Gbps的以太網已經商業化，數據傳輸時間大大縮短，響應時間得到提高，系統的實時性及不可確定性得到了改善。
(2) 采用交換機以太網技術：由于共享式以太網工作站點爭搶信道而產生沖突碰撞影響了系統的實時性和不確定性，采用交換機以太網技術可使其得到改善。交換型的以太網中采用以太網交換機，交換機各端口之間同時可以形成多個數據通道，每個端口可連一個網段，端口之間幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD介質訪問控制協議的約束。當系統包括多個工作群組，一般讓每個組群單獨組成一個網段，每個網段占用交換器（機）一個端口（如圖4所示交換機有A、B、C、D四個網段），各網段的工作大部分時間是獨立的，當任意兩個網段需要信息交換時，交換機能在2個獨立網段之間建立信息通道（例如圖4的A、B），一旦信息交換結束，通道即斷開。
圖4 交換機隔離的網段
由此看出，交換式以太網可以克服共享式以太網存在的問題：
• 交換機每個端口上，可連接一個網段，每個網段可獨享帶寬；
• 交換機每個端口上，所接網段之間是獨立的、被隔離的，如需要網段間進行信息通信的話，可以暫建立信息信道，經過交換機的隔離，可大大減小沖突發生的概率，改善實時性和不確定性；
• 交換機VLAN技術的普遍采用，使交換系統能夠分配給控制信息點專有的通道和帶寬，從而保證在網絡繁忙的時候，控制系統仍有足夠寬裕的帶寬，使以太網信息傳輸的實時性和不確定性基本上保持在理論的水平上。
(3) 在某些應用場合允許的情況下，盡量將控制網與信息網分割開來使用，以避免實時數據與非實時數據的碰撞，使工業控制站點之間的以太網為獨立網段，從而改善實時性和不確定性。除此之外，還可以采用全雙工技術降低網絡負載，以及在Ethernet+TCP/IP協議的基礎上制訂統一并適用于工業現場控制的應用層技術規范等措施。采取以上措施可以使工業以太網在某些軍事、工業、民用的領域的現場測控中得到初步應用。例如，國外不少國家核加速器最新測控方案選擇了以太網，除此之外汽車裝配線、薄鋼生產線等均采用工業以太網的方案，從測控領域的發展方向上看，工業以太網將是未來測控領域中的一個重要發展方向，也是企業管控一體化和智能建筑系統集成的一種最佳方案。
(4) 以太網的供電問題，多年來一直是一個缺陷，特別是隨著IP電話、IP攝像機、無線AP、ENC（Ethernet Control System）等系統的應用，人們更提出以太網在傳輸數據的同時，傳送部分能量，以滿足小型網絡設備用電的需求，解決小型網絡設備供電的無序狀態和居高不下的電源布線成本。因此IEEE 802.3af標準呼之即出，已形成一個以太網供電的國際標準，目前3COM、華為、DLINK等公司都有符合802.3af標準的交換機產品。IEEE 802.3af 標準的核心是在滿足802.3 標準的同時，由交換機向網絡終端設備提供48V或24V電源，至此工業以太網的供電問題得到很好的解決，其原理如圖5所示。
圖5 以太網自供電原理圖
(5) 以太網是一種網絡形式，TCP/IP協議是一種開放通信協議。安全問題不屬于網絡形式和TCP/IP協議。網絡的安全性最終關心的是在網絡上傳輸的應用層信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及傳輸的安全不外乎兩種方式：專有獨立通道和信息加密。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。以太網的虛擬專用網交換技術現已成為一種最基本的網絡專用通道技術，已經非常成熟并廣泛使用。以太網可以很方便的將需要的通道隔離出來。Internet的信息加密是TCP/IP之上的基本與之無關的應用信息處理方法。信息在發出之前要進行加密處理，信息在使用之后要進行解密處理。現在基本上都采用公開的加密算法，秘密不靠加密方法保證，而是靠密碼（key）。信息安全的最后和最關鍵的因素是持有重要密碼的人，他保管使用密碼的過程、方式是通信系統的安全的核心。
6 工業以太網在智能建筑中的應用實例
(1) ENC-2001IP工業以太網測控系統簡介
北京樓宇自動化工程中心（簡稱為北京樓宇自控中心）采用ENC-2001IP工業以太網測控系統對某小區15棟高層住宅的充配電、換熱、采暖、通風、供水、消防、三表查收及樓宇對講六個子系統遠程監控，取得較好效果。
ENC工業以太網控制系統結構框如圖6所示。
這些ENC參量控制模塊可以把智能建筑各子系統集成到以太網、電梯系統、火災報警等傳統設備上，帶有RS232或RS485接口，分別可接到ENCTRS200及ENCTRS400網關轉換模塊集成到以太網上，而IP電話及IP攝像機可以直接集成到以太網上。除此之外還提供CDMA/GRPS無線網關接口，例如系統報警信息即可通過該網關接口直接發送到手機上，并可通過手機對系統進行控制。
圖6 系統結構框圖
AI：模擬量輸入模塊（ENC AI） DI：數字量輸入模塊（ENC DI）
AO：模擬量輸出模塊（ENC AO） DO：數字量輸出模塊（ENC DO）
FI： 脈沖輸入模塊（ENC FI） FO：脈沖輸出模塊（ENC FO）
網絡實現數據管理系統：對底層設備的實時數據進行管理。
WEB服務：完成對整個系統的操作控制。
本地監控管理站：實際上是本地監控瀏覽器（Broswer）通過瀏覽器，可對系統監視。
遠程工作站：實際上是遠程監控瀏覽器（Broswer）在網上通過瀏覽器對系統進行監視
(2) ENC參量集成模塊
ENC參量集成模塊由北京樓宇自控中心開發。
① 功能
• 內嵌WEB SEVER，可以通過瀏覽器直接對其進行監控，配置校準；
• 客戶認證功能；
• 內嵌防火墻功能；
• 支持SOCKET的通信規程；
• 完善的TCP/IP協議；
• 10/100baset符合IEEE 802.3af 標準的以太網接口。
② 硬件結構：由中央處理器MCU、以太網網卡、傳感器、執行器、I/O接口以及存儲器（電子硬盤），電源組成，如圖7所示。
圖7 ENC網絡參量集成設備硬件結構圖 、
圖8 系統圖
③ 系統結構：內嵌WEB SEVER，可與客戶端（Broswer）進行通信，如圖8所示。
(3) ENC系統特點
① 實現信息網絡與控制網絡統一
取消控制網與信息網的界限，控制信息化。所有設備通過ENC參量集成模塊或接口直接集成到以太網上，ENC參量控制模塊都是一個網絡服務器，內嵌WEB服務器。
② 采用網絡控制服務管理方式
中央控制中心是一套主服務器，控制各參量集成模塊，可集中或分布處理各種數據，通過參量集成模塊完成各種類型控制要求。
③ 系統結構簡單，組網方便靈活，擴展維護方便
該系統通過以太網進行集成，智能建筑中局域網是不可缺少的，利用局域網這些模塊可以就近插接，不用重新布線，所需器件均為標準化的，組網方便靈活，擴展維護方便。
④ 將控制系統升級為服務系統
該系統始終貫穿一種服務的理念，將設備的控制升級為設備對外提供的信息服務。這種服務的對象可以為人，也可以為機器。建筑中有了眾多設備提供的優秀服務，智能建筑就成了一套智能服務系統集合，這正是人們所期待的。
7 結語
20世紀90年代以來，工業以太網取代控制網絡進行了嘗試，有不少成功的案例。以工業以太網為核心的測控技術是測控領域中的一個重要發展方向，但其實時性、可靠性、安全性、互操作性等尚需進一步研究完善。
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