2.3 以太网的工业应用
在工业通信网络中，各种现场总线曾占据了整个市场，但是随着信息技术的发展,总线机制已经慢慢无法满足企业的信息通信需要，成了企业信息化的一个瓶颈。而且由于控制网络的总线标准不统一，从而导致控制网络间互连以及控制网络与企业上层网络交换数据出现了代价过高等问题。采用在办公自动化网络中广泛使用的以太网来代替各种现场总线，成为解决这种瓶颈问题的一个新的思路，目前在世界上已经有成功的在某些领域应用的实例。
以太网是一种局域网，按照IEEE802.3 标准的规定，它采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）模式对共享媒体进行访问。其协议对应于ISO/OSI 七层参考模型中的物理层和数据链路层。以太网的传输介质为同轴电缆、双绞线、光纤灯，采用总线型或者星型拓扑结构，传输速率为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s 或更高。在办公和商业领域，以太网是最常用的通信网络。以太网技术由于具有成本低、通信速率高、兼容性好、软硬件资源丰富、广泛的技术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，在过程控制领域的管理系统层得到广泛应用。
2.3.1 现场总线技术存在的缺陷和问题
传统的现场总线技术存在的最大问题就在于标准不统一。现场总线多达十多种，应用广泛的就有八种之多，包括有:FF 的H1，Control Net，Profibus，Interbus，P-net，WorldFIP，Swiftnet，FF 的高速Ethernet，即HSE。其中，P-net 和Swiftnet是专用总线，Control Net，Profibus，Interbus，WorldFIP 是从PLC 发展而来的，H1 和HSE 是从传统的DCS 发展而来的，这使得基于现场总线的控制系统显得比较杂乱，如图2-2 所示。
图2-2 现场总线控制系统结构图
如上所述，由行业与地域发展历史等原因，行业众多，需求各异，加之各公司和各集团受自身商业利益的驱使，现场总线难以统一国际标准。这种情况明显违背了当初开发现场总线的初衷。发展共同遵从的统一标准，真正形成开放互连的系统，是大势所趋。
2.3.2 工业以太网发展历程
以太网（Ethernet）最初源于1975 年美国Xerox 公司和斯坦福大学建造的一个219Mb/s 的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）系统。它以无源电缆作为总线来传送数据，在1000m 的电缆上连接了100 多台计算机。这就是如今以太网的鼻祖，主要是为了计算机之间大量文件的传输。随后，DEC、Intel 及Xerox 联合公布了以太网物理层和数据链路层的规范，成为DIX 规范。在此基础上，1982 年，电气和电子工程师协会（IEEE）制定了IEEE802.3 标准。1990 年2 月，该标准被国际标准化组织采纳，正式成为国际标准。因此，IEEE802.3 以“以太网”为技术原型，本质特点是采用CSMA/CD 的介质访问控制技术，“以太网”与IEEE802.3 略有区别，但在忽略网络协议细节时，人们习惯将IEEE802.3 称为“以太网”。
20 世纪80 年代中期产生的现场总线，本质上就是工厂中的局域网。现场总线系统将只能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使得工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展成为可能，使得工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。但各主要现场总线各具特点，不可互相替代，不能在原来的技术上统一标准。除了他们的技术特色和背后支持公司之间的利益冲突外，还因为现场总线发展过程中，过多的强调了自动化网络的特殊性，忽略了信息技术的发展成果，加上当时的微处理器功能简单，数字处理能力不强，不能处理Ethernet 上“捆绑”使用的TCP/IP 协议，致使现场总线技术、产品和应用发展缓慢。
1998 年德国西门子公司发布了工业Ethernet 白皮书，并与2001 年发布其工业Ethernet 标准规范，称为PROFLInet。
在1999 年，法国施耐德公司旗下MODICON 公司公布了Modbus TCP 协议，配合施耐德公司提出的“透明工厂”的战略，使法国施耐德成为工业以太网的坚决倡导者，Modbus/TCP 协议已一种非常简单的方式将Modbus 帧嵌入TCP 中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼叫/应答的机制与Modbus 的主从机制互相配合，使交换式以太网具有很高的确定性和可靠性，利用TCP/IP 协议，网页的形式使用户界面更加友好，并且利用浏览器可以查看企业网内部的设备运行情况。施耐德公司已经为Modbus 注册了502 端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中，通过在设备中嵌入Web 服务器，就可以将Web 浏览器作为设备的操作中断，非常方便。目前已经有专门的Modbus 组织来讨论将Modbus TCP 协议推广，使得Modbus TCP/IP 日渐成为目前工业以太网事实上的行业标准，并促进了以太网在传感器和设备级别的应用。
美国罗克韦尔公司于2000 年公布了工业Ethernet 规范，称为Ethernet/IP。Ethernet/IP 是一种工业网络标准，它很好地采用了当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。IP 代表Industrial Protocol，以此来与普通的以太网进行区别。它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效方法，允许工业现场设备交换实时性强的数据。Ethernet/IP 模型由IEEE802.3 标准的物理层和数据链路层、以太网的TCP/IP 协议和控制与信息协议CIP 三部分组成。CIP 是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连接的协议。CIP 有两个主要目的，一个是传输同I/O 设备相连接的面向控制的数据，另一个是传输同其他被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。CIP 协议规范主要由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表、信息管理等组成。Ethernet/IP 协议就是在Ethernet 上的CIP 协议，IP 地址即插即用互操作的通用策略、装置描述和恢复机制；网络诊断议案；使用Web 技术；一致性测试需求；消除协议间差异的应用接口等都是Ethernet/IP 模型的工作重点。
基金现场总线FF 于2000 年也公布了工业Ethernet 规范，称为HSE（High SpeedEthernet，高速以太网）。作为原有高速总线H2 的替代，HSE 是以太网协议IEEE802.3、TCP/IP 协议族和FF H1 的结合体，运行在100Base-T 以太网上，能支持低速总线H1 的所有功能，是对H1 的补充和增强。FF 现场总线基金会明确将HSE定位于实现控制网络与互联网Internet 的集成。由HSE 连接设备将H1 网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP 和管理系统。操作员在现场主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。HSE 通信模型有OSI 参考模型中的物理层、数据链路层、网络层，传输层和应用层，并在应用层上增加了用户层，形成6层的通信模式。在第四层，HSE 直接采用以太网+TCP/IP 的结构形式。底层采用标准以太网IEEE802.3μ的最新技术和CSMA/CD 链路控制协议来进行介质的访问控制。采用TCP/IP 协议实现面向连接和无连接的数据传送，并为分布式主机控制系统（DHCP）、简单网络时间协议（SNTP）、简单网络管理协议（SMNMP）和现场设备访问代理（FDA Agent）提供传输服务。HSE 系统和网络管理代理、功能块、HSE 管理代理和现场设备访问代理都位于用户层和应用层，提供设备的描述和访问，功能块无需添加任何专用设备即可直接连入高速网络，同时也从另一个方面增强了HSE 设备的互操作性，并通过链接设备（Linking Device）将FF H1 网络链接到HSE 网段上。HSE 链接设备同时具有网桥和网关的功能，其网桥功能能够用来连接多个H1 总线网段，使不同H1 网段上的H1 设备之间能够对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有链接设备和连接设备上挂接的H1 设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接受来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能或者“柔性功能块”（FFB）中。
2.3.3 以太网在工业通信领域应用的优劣及改进
经过上文的对比我们可以看出，与各种现场总线相比较，以太网具有非常明显的优势。
第一，以太网通信的开放性好。由于有标准的TCP/IP 协议作为底层，不同厂商的设备之间很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。以太网是目前应用最为广泛的局域网技术，遵循国际标准规范IEC/ISO802.3，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如Java、Visual C++、HDL 语言等。
第二，数据传输的成本和费用低廉。由于以太网的应用最为广泛，受到了硬件开发商和生产厂商的高度重视与广泛支持，因此多种硬件产品供用户选择；与目前众多的现场总线相比，价格也低廉得多（以太网网卡和线缆的价格比大多数现场总线的网卡和线缆的价格要低很多，约为后者的1/10）。在工程和应用方面，由于以太网已经沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，并对以太网的设计、开发和应用等有很多的经验。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，有多种开发格局可供选择。现有的大量资源可以极大的降低以太网系统的开发、培训和维护费用，从而可有效降低系统的整体成本，加快系统的开发和推广速度。
第三，数据传输速率很高。以太网支持的数据传输速率包括10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s,比目前任何一种现场总线都快，可以为工业通信提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，在总线机制中利用以太网作为现场总线，很容易将I/O数据输入到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享；以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交换模式以后，任何一种段之间的通信通过交换机实现透明转发，由于可以给每个端口都配置独立的冲突域（Collision Domain），不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着传输效率的提高。
第四，远程技术的应用。以太网由于具有比较通用的协议，很容易与Internet连接。在可能的情况下，几乎在任何城市、任何地方都可以利用Internet 网络对企业的生产情况进行监视控制，而Web 技术和以太网技术的结合，实现了生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。
第五，容易与信息网络集成，有利于资源共享。由于TCP/IP 协议的通用性，以太网可以实现办公自动化网络和工业控制网络、工业控制网络和企业信息化网络之间的无缝连接；随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的发展，嵌入式控制器，智能现场测控仪器仪表可以方便的介入以太网控制网络，直至与Internet 相连；容易与信息网络集成，组建统一的企业信息化网络。网络上的用户无论处于什么地方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的共享数据、设备及其他服务，极大的解除了地理位置上的束缚，这种强大的资源共享能力得益于以太网的巨大用户群，是目前其他任何一种现场总线都无法比拟的。第六，支持多种物理介质和拓扑结构。以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。
第七，工业以太网的可持续发展潜力巨大。目前，以太网已经无可争议的成为管理层的主要网络技术，监控层也逐渐由RS-485、RS-232 等串行通信方式逐渐统一到以太网。而对于现场设备层，由于技术、经济和政治等方面的因素，以太网还没有直接应用于工业控制网络，市场上形成了多种现场总线并存的局面，这就给以太网工业应用的发展提供的巨大的潜力空间。
总之，与传统的总线传输相比较，工业以太网的优势是显而易见的，如表2-1所示。
当然，尽管以太网具备以上诸多的优点，但作为信息技术的基础，以太网是为IT 领域应用而开发的，传统上也用于商业和通信的局域网络，最初的以太网主要目的是分布的主机之间的资源共享，只考虑到传输数据，因此采用共享式，网上所有节点访问网络的机会相等。同时，采用CSMA/CD 介质访问机制来处理信道的竞争和冲突。采用这种机制，以太网上各站点无需要依靠中心控制就能进行数据发送。当网络负荷较小时，冲突很少发生，因此延迟低。当网络负荷增大时，就容易出现冲突，网络性能随之降低。由于冲突的处理具有随机性，因此数据发送的通信延迟不确定，不能保证通信的实时性。因此，以太网直接引入工业控制网络，还需要解决以下突出的几个问题：
表2-1 总线传输与以太网传输优缺点比较
首先，以太网的信息传输存在实时性差和不确定性，以太网在MAC 层采用带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）的媒体访问机制，各个节点采用二进制指数后退算法处理冲突，因此具有通信延迟不确定的缺陷，也就是实时性的问题，并成为它在工业控制现场设备层实时环境中应用的主要障碍。特别当网络负荷较重时，以太网不能满足工业控制的实时性要求。而对于工业现场控制网络，以太网通信延迟的“不确定性”会导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生，这是它应用于工业控制网络的另一个主要障碍。虽然以太网交换技术、全双工通信技术以及IEEE802.1p&q 规定的优先级技术在一定的程度上避免了碰撞，但也存在着一定的局限性：以太网交换机的存储转发机制同样是通信延迟具有不确定性，通信延迟的不确定性主要来自于其排队延迟。无论采用那种存储转发机制，当同时来自于多个端口的报文需要向同一个端口转发时，交换机就必须将这些报文进行排队缓冲，并依次转发。因此，交换机的缓冲池大小将直接影响了来自于某一端口的报文能否及时被成功转发；另外，以太网交换机存在着“广播风暴”问题，由于对于ARP，组播等协议，以太网有着其固有的处理方式，这种处理方式应用在工业数据通信网络中用来发送实时数据报文时，同样会产生碰撞。
其次，以太网的可靠性，安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够抗冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有比较好的电磁兼容性。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，其所用插接件、集线器、交换机和通信线缆都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，难以满足工业现场的恶劣环境要求。同时，在工厂环境中，以太网抗电磁干扰（EMI）性能较差，很多以太网络设备的总线供电机制如果用于危险场合，以太网不具备本质安全性能。因此以太网不能通过信号线向现场设备供电。
最后，以太网缺乏应用于工业控制领域的应用层协议，以太网标准仅仅定义了ISO/OSI 参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上TCP/IP 协议也只是提供了网络层和传输层的功能，两个设备想要正常通信，必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议，目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）等。这些协议所规定的数据结构等特性不符合工业控制现场设备之间的实时通信要求。因此，需要制定统一的适用于控制领域的应用层协议。这也是本文主要的研究动机之一。
随着以太网技术的发展，可以根据现场设备之间通信的特点，在以太网协议基础上增加一些改进措施，使以太网可以直接应用于工业现场设备间的实时通信。随着以太网传输速率的提高和以太网交换技术的发展，上述问题在工业以太网中正在被迅速的解决，并使以太网全面应用于工业控制领域乃至全面应用于制造企业信息化全程中成为可能。针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用一些技术可以解决以太网应用于现场设备间通信的关键问题。其中包括以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信软件层次、现场设备层网络微网络化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。总体上来说，以太网用于工业自动化，对传统以太网在四个方面进行了改进：
一、信息传输实时性和确定性的改进
最近几年来，以太网技术有了长足的进步，其中，交换式以太网技术、高速以太网技术、虚拟局域网（VLAN）技术、全双工通信技术、IP 的服务质量（QoS）技术的发展与相互结合和应用，大大的提高了以太网系统中的信息传输的实时性、确定性。特别是快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了契机，使这一应用成为可能：首先，以太网的通信速率从10Mb/s、100Mb/s发展到现在的1000Mb/s、10Gb/s，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意
味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降，这样通信介质的占用时间也将随之降低，有效的降低了网络碰撞的概率。第二，在应用过程中，系统可采用全双工通信技术使端口之间的两对双绞线（或光纤）分别同时接受和发送数据，从而使系统不再受到CSMA/CD 的约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在，不会产生方式冲突；还可以采用虚拟局域网（VLAN）技术对网络系统进行不同的功能层、不同的部门区分的逻辑划分，增强网络系统中数据传输的实时性、安全性和确定性。IP 的服务质量（QoS）技术的应用则能使本设计方案在网络系统中区分实时和非实时数据，识别数据的优先级，实时监控网络系统中数据传输，优化、控制网络通信负荷，提高系统中数据传输的实时性、确定性。第三，在实时性要求高的环境中采用星型网络拓扑结构，采用专用的工业交换机来分割总线上的冲突域，实现数据传输信道的独享。交换机将网络划分为若干个网段，由于交换机具有数据存储、转发的功能，各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可以对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。
在（全双工通信），或碰撞几率大大降低（半双工通信），为此Ethernet 通信的确定性和实时性将大大提高。
另外，还可以采用软件方式来解决工业数据传输的实时性问题，就是在一定的带宽资源基础上，由软件调度实现实时、确定性通信功能。
二、通信可靠性的改进
为了适应工业现场恶劣环境的要求，一些厂家已经推出了工业级的以太网设备，用于提高以太网的可靠性。在实际应用中，主干网络可采用光纤传输，现场设备的连接可采用屏蔽双绞线。对于重要的网段和节点的通信器件采用冗余配置和自动无缝切换（热备份），在可能的情况下配置一个实时监控软件，不断监视整个网络的通信状况以及每一个节点的软硬件工作情况，一旦发现异常，就能够迅速将故障点隔离开来，并做出相应报警。所有这些手段都可以有效地提高以太网通信的可靠性和稳定性。
以太网的插接件、集线器、交换机和电缆等是为办公室的应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差。若直接将办公用的以太网用于危险场合，则不具备本质安全特性，也不允许具有通过信号线向现场仪表供电的性能，办公环境和工业生产环境的对比如表2-2 所示。
表2-2 办公室环境和工业现场环境的比较
随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。在不间断的工业领域，为了解决在极端条件下网络也能够稳定工作的问题，美国Synergetic 微系统公司和德国Hirschman 公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品，安装在标准DIN 导轨上，并有冗余电源供电，插接件采用牢固的DB-9 结构。同时，各大老牌网络设备制造商如美国Cisco 公司、加拿大Nortel 公司对其已有的产品进行改进，使之能够具有冗余电源备份，耐高温、耐冲击性大大提高，以适应工业现场的各种特殊需求，而我国的本土网络制造企业华为也对已有的网络产品进行改进，以满足工业现场对以太网的要求。控制领域的领先者，我国台湾省的企业研华公司也针对工业通信行业推出了相应的工业以太网产品。
现在的工业Ethernet 现场总线采用一种称为连接装置（Linking Device）的类似带开关的集线器结构，很好地解决了Ethernet 的时间确定性问题。目前，Profibus、 DeviceNet、ControlNet 和LonWorks 等都打算使用Ethernet。这些公司都在研究通过隧道（Tunnel）的简单传输机构，使用Ethernet 传送报文传统的Ethernet 并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等环境条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。
三、本质安全和总线供电
本质安全是与隔爆型技术相对比而言的，本质安全技术采用抑制点火源能量的防爆手段。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本质安全防爆技术。由于以太网收发器本身的功耗都比较大（300W 左右），基于以太网的低功耗现场设备和交换机的设计比较困难。对以太网系统采用隔爆防爆的措施非常必要。
总线供电指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。如果要求总线供电保持本质安全，需要采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，为此，各工业领域的以太网制造厂商都设计了能实现网络供电或者总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。
对现场设备的总线供电可采用以下两种方法：第一，在目前的以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。采用这种方法时必须注意，修改后的以太网应在物理层上与传统以太网兼容；第二，不改变目前物理层的结构，及应用与工业现场的以太网仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。相比而言，第一种方法虽然实现了与传统DCS 以及FF、Profibus 等现场总线所采用的总线供电方法一致，做到了一线二用，节省了现场布线，但这种修改后的以太网设备与传统以太网设备不再能够直接互联，而必须增加额外的转接设备才能实现与传统以太网设备（如计算机的以太网卡）的连接。
四、工业控制中使用Ethernet 如何获得技术支持
通常可以采用软件解决方案来提高Ethernet 在工业领域的性能，其特点为：第一，在一定的带宽资源基础上，由软件调度实现实时、确定性通信功能；第二，改进协议。对工业数据报划分不同的优先级，根据优先级的不同，依据“传输前等待优先权以太网“算法征用信道，保证重要实时数据优先获得信道使用权；第三，在传输层采用UDP 比TCP 协议更能满足实时性的要求；第四，通过设计新的应用层协议来更好地利用以太网的特性为工业数据通信服务，重新定义应用层服务和协议，是应用进程之间能够通过这些服务相互传递信息，比如，定义基于XML 可扩展标记语言的设备描述方法等。
由于采用与商用以太网相同的技术，因此工业以太网具有最广泛的支持网络和资源。国际上成立了工业以太网协会（www.industrial.ethernet.com）和IAONA（www.iaona.com），并与研究中心等机构合作，开展工业以太网关键技术的研究。美国电气工程师协会（IEEE）正着手制定现场装置与以太网通信的新标准，该标准让网络直接看到对象（object）。这些工作为以太网进入工业自动化的现场打下了基础。
五、Ethernet 与网络安全的问题
工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可采用网关或者防火墙等对工业网路与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。在特别重要的应用场合，甚至可以用物理隔绝的工业以太网来保证安全。
在工厂运用互联网技术并不意味着工厂网络一定要连接到互联网。如果采用网络的工厂连入互联网均适用TCP/IP，这样就面临互联网类似的安全问题，这时候可以采用互联网的安全解决方案如采用RSA、VPN 提供远程访问，利用身份识别技术（硬件、软件），用户权限、用户密码的安全机制等。随着生物信息技术的发展，指纹、声音等生物信息的应用也将会提高网络的安全性能。
2.4 国内液晶生产线现状及行业特点
液晶制造行业在国内尚未有成形的现代化生产线，也没有成功的企业信息系统可以供参考，摸着石头过河成为液晶行业MES 实施的主题，本节将从液晶行业信息化实施背景出发，分析了液晶行业的行业特点。
2.4.1 液晶显示器的材料组成及目前技术发展情况
LCD 为英文Liquid Crystal Display 的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图像。 当前LCD液晶显示器正处于发展的鼎盛时代，技术发展非常迅速，已由最初的TN－LCD（扭曲向列相），发展到STN－LCD（超扭曲向列相），再到当前的TFT－LCD（薄膜晶体管）。LCD 现已发展成为技术密集、资金密集型的高新技术产业。液晶显示器主要由导电玻璃、液晶、偏光片、封接材料（边框胶）、导电胶、取向层、衬垫料等组成。液晶显示器制造工艺流程就是这些材料的加工和组合过程。
2.4.2 液晶显示器制造行业特点
由于液晶显示器（LCD）市场的变化需求很快，这就要求LCD 生产企业有必要建立起一套面向市场的生产组合，能迅速根据市场需求进行生产；而LCD 要求的大批量生产也希望建立起一套通过简单输入就能反映经营者判断的管理系统；同时，出于液晶面板材料和设备零部件供应周期长，需要建立起包括客户、零部件供应商在内的供应链系统（SCM）。结合制造行业生产线控制系统分析可以发现，LCD 生产企业有以下的行业特点：
第一，生产设备复杂，生产阶段分明。整个生产线分成三个阶段，分别位于三个车间，阵列（工艺上又称ARRAY）车间以液晶基板的生产为主，玻璃基板开始输入到阵列厂房，经过清洗和一系列化学处理以后，输出可以作为液晶面板使用的液晶玻璃；成盒（工艺上称CELL）车间主要将液晶玻璃和彩色滤光片贴合，并根据需要切割成不同尺寸的液晶面板；模块（又称MODULE 或者LCM）车间将切割后的面板加上背光源，驱动电路和各种接口形成可以接驳显示源的显示器。
第二，各生产阶段自动化程度逐渐降低。三个车间中，阵列车间的生产由于涉及大量的化学设备、有毒有害装置和放射性设备，对自动化要求程度最高，车间内无操作人员，液晶基板的运输通过自动搬运装置（Automated Guided Vehicle，简称AGV）实现；模块车间工序繁多复杂，而且由于客户需求不同变动较大，需要人工校准的工序众多，因此自动化要求最低，操作人员流动性很大；成盒车间介于两者之间，有部分操作人员，半自动设备居多，需要部分操作人员进行现场操作，设备基本固定。
第三，生产区域洁净度要求较高。由于日常空气中的微小颗粒会对液晶面板的品质产生很大影响，液晶生产需要在无尘的环境下进行，各个阶段的生产工艺对无尘的要求不一致，阵列厂房在对玻璃基板进行化学反应的时候无尘要求最高；成盒厂房次之；模块厂房由于液晶面板已经封装，对无尘要求最低。
第四，生产工艺连贯性强，要求全线生产。液晶面板的生产工艺复杂，每道工序对输入输出的时间要求很强，前一道工序完成后，后一道工序必须要在某个时间内进行，否则就会产生不良品，这对生产线控制的可靠性提出了很高的要求。总之，和一般行业相比，液晶制造行业所具有的行业特点如表2-3 所示：
表2-3 液晶制造行业特点
2.5 MES 实施中的数据采集问题
鉴于作为实例的液晶面板生产线具有的特点，并要求实时对生产线监视控制，这样MES 的实施就面对了两个无法回避的问题：如何统一将生产设备采集到的数据送入MES 系统数据库，如何把MES 系统中的控制信号快速送到设备从而执行，本文将主要解决前一个问题，并提出后一个问题的解决方案。
生产设备来自各个厂商，并且在每个车间的生产设备通信制式和通信特点有着很大的差别，经过对比后，对于不同设备之间、设备与MES 服务器之间的通信，MES系统采用了工业以太网进行通信，针对通信制式不统一的问题，开发出适合于工业生产线的高层协议，通过协议封装的方式来解决通信格式不统一的问题。
MES 系统会根据生产的进度需要对各个设备发出控制命令，通过分析研究，最终采用的解决方案简述为：将这些控制命令按照车间划分统一先传到一个控制终端服务器（Virtual Flexible Communication Terminal Server，简称VFCT 服务器），VFCT 服务器会和终端设备保持高速的同步，以便能将控制信号实时的送到设备上进行执行。
2.6 本章小结
本章主要分析了液晶生产企业的行业特点，针对这种行业特点对MES 的实施进行需求分析；对通信行业在制造型企业中的发展历史做了回顾，通过对工业通信网络系统及以太网在工业中应用进行了分析比较。指出传统的总线传输机制和新兴的工业以太网的优劣，提出对以太网的改进的方法并进行进一步阐述。
相关连载：
工业以太网在MES系统中的应用（一）上
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96196.htm
工业以太网在MES系统中的应用（一）下
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96197.htm
工业以太网在MES系统中的应用（二）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96220.htm
工业以太网在MES系统中的应用（三）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96236.htm
工业以太网在MES系统中的应用（四）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96262.htm
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本文标题：工业以太网在MES系统中的应用（一）下
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