以太网和工业以太网的区别
现场总线的出现极大地促进了设备自动化系统的实现，但现场总线等专用实时通信网络存在成本高、速度低、支持应用有限等缺陷。此外，总线通信协议的多样性使得不同的总线产品无法相互连接、相互使用和操作 ，因此，现场总线工业网络的进一步发展受到极大限制。随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现，以太网可以克服自身的缺陷，进入工业领域成为工业以太网，使人们可以使用以太网设备来取代昂贵的工业网络设备。
1.以太网的主要缺陷 在谈到以太网的主要缺陷之前，有必要了解以太网的通信机制。以太网是指遵循IEEE802.3.可在光缆和双绞线上传输的网络标准。它最早出现在1972，由XeroxPARC所创建。目前，以太网采用星形和总线结构，传输速率为10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太网延迟的主要原因是冲突，因为它使用了它CSMA/CD技术。在传统的共享网络中，由于以太网中的网站使用相同的物理介质，这意味着当两个设备同时发送信号时，信号会相互冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个网站访问媒体之前，必须监控网络上是否有其他网站同时使用媒体。，如果必要等待，此时发生冲突。为了降低冲突的概率，以太网通常使用1-连续CSMA，非持续CSMA，P-持续CSMA的算法2 。由于以太网是以办公自动化为目标设计的，不完全符合工业环境和标准的要求，在工业领域使用传统以太网仍存在明显的缺陷。但其成本低于工业网络，技术透明度高，特别是遵循IEEE802.3协议为各现场总线厂商打开了方便之门，但要使以太网满足工艺要求，还必须克服以下缺陷：
1.1确定性 因为以太网MAC层协议是CSMA/CD，该协议使网络冲突更加明显，特别是当网络负荷过大时。对于一个工业网络，如果有很多冲突，必须重新发送数据，这大大增加了网络通信的不确定性。在工业控制网络中，这种从一个到另一个的不确定性将不可避免地降低系统控制性能。
1.2实时性 在工业控制系统中，实时可定义为系统对事件反应时间的可测性。也就是说，事件发生后，系统必须在准确预见的时间范围内反映。然而，工业对数据传输的实时性有非常严格的要求，数据更新往往是数十个ms内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD当发生冲突时，机制必须重发数据，最多可以尝试16次。显然，这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一旦出现脱线，即使只需几秒钟，也可能导致整个生产停止，甚至设备和人身安全事故。
1.3可靠性 因为以太网在设计之初并不是从工业网络的应用开始的。当应用于工业现场时，面对恶劣的工作条件和严重的线间干扰，必然会降低其可靠性。在生产环境中，工业网络必须具有良好的可靠性、可回收性和可维护性。也就是说，当网络系统中的任何组件出现故障时，都不会导致应用程序、操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。
2.以太网工业应用解决机制 针对以太网的三大缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，采用了多种方法来提高以太网的性能和质量，以满足工业领域的要求。以下是几种解决方案：
2.1交换技术 以太网交换机可用于改善以太网负载较重的网络拥塞问题（switch）。采用有效的冲突域划分技术，共享局域网。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD冲突问题和机制造成的错误传输。尽量避免冲突，提高系统的确定性，但该方法成本较高，在分配和缓冲过程中存在一定的延迟。
2.2高速以太网 我们知道，当网络中的负载越大时，冲突的遗憾率就越大。数据显示，当一个网络的荷载低于36%时，基本上不会发生冲突。当荷载低于10%时，10M每五年一次以太网冲突。100M每15年一次以太网冲突。但随着负荷的增加，36%以上的冲突率以几何级数的速度增加。通过显著提高以太网的通信速度，可以有效降低网络负荷。幸运的是，以太网的通信速度已经达到了100M/S，1G/S高速以太网，加上细致全面的设计和控制系统中网络结点的数量和通信流量，可以使用以太网作为工业网络。
2.3IEEE1588对时机制 IEEE1588定义了与网络交流、本地计算和分配对象相关的测量和控制网络
协议精确同步时钟（PTP）。本协议不排外，但特别适用于基于以太网的技术，精度可达微秒。它使用时间印章来同步当地时间的机制。即使在网络通信中同步控制信号产生一定的波动，其精度也能满足要求。这使得它特别适用于基于以太网的系统。以太网TCP/IP协议可以在高精度网络控制中运行，无需大的变化。 在系统中。它在区域总线上的精度远远超过了现有的系统。此外，基于以太网在企业各级中的应用TCP/IP该协议的网络技术具有巨大的优势。 一个包括IEEE对时机制的简单系统至少包括一个主时钟和多个从属时钟。若同时存在多个潜在的主时钟，则根据最优化的主时钟算法确定活动的主时钟。所有的时钟不断地与主时钟比较时钟属性，如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网络断开，则其他时钟会重新决定主时钟。如果多个PTP如果子系统需要互联，则必须由边界时钟实现。边界时钟的一个端口将与子系统相连，并为整个系统提供时钟标准。因此，子系统的主时钟是整个系统的原始主时钟。边界时钟的其他端口将作为主端口，同步信息将通过边界时钟传输到子系统。边界时钟的端口是普通时钟。 IEEE1588定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，在分配控制工作时不需要特殊的同步通信，从而实现了通信时间模式与应用程序执行时间模式的分离。由于高精度同步工作，以太网技术固有的数据传输时间波动降低到可接受的范围，不影响控制精度。IEEE1588的一大优势是其标准非常有代表性和开放性。由于其开放性，许多控制系统供应商已经将该标准应用到他们的产品中。而且不同设备的厂家都遵循同样的标准，这样他们的产品才能保证良好的同步。
典型的工业以太网 随着以太网技术的快速发展及其80%的市场份额和现场总线的明显缺陷，工业控制领域的主要制造商开发了适合自己工业控制产品的工业以太网。德国西门子公司开发的应用最广泛的工业以太网之一SIMATICNET工业以太网。它提供了一个开放的通信系统，适用于工业环境式通信系统。这些通信系统符合国家和国际标准ISO/OSI网络参考模型。SIMATICNET工业以太网的主要系统结构是括网络硬件、网络部件、拓扑结构、通行处理器和SIMATICNET由软件等部件组成。
3.1SIMATICNET工业以太网的基本类型和网络硬件 SIMATICNET工业以太网有两种类型，分别是10种Mbit/s工业以太网和100Mbit/s工业以太网。基于带式传输技术IEEE802.3利用CSMA/CD单元级和控制级传输网络的介质访问方法。在西门子工业以太网中，常用的物理传输介质是屏蔽双绞线（TP），工业屏蔽双绞线（ITP）以及光纤。TP端对端连接常用于连接连接。数据终端设备（DTE）该设备负责放大和转发信号，直接连接到网络连接元件端口。在SIMATICNET在工业以太网中，这些网络连接元件有OLM(光学链接模板)ELM(电气连接模板)OSM(光学交换机模板)和ESM(电气交换机模板)。DTE通过连接元件TP或ITP电缆连接。
3.2SIMATICNET工业以太网络部件 SIMATICNET工业以太网网络部件包括工业以太网链路模板OLM，ELM工业以太网交换机OSM/ESM和ELS工业以太网链路模块OMC。其中OLM(光链路模块)ITP接口和二个BFOC接口。ITP接口可连接三个终端设备和网段，BFOC接口可以连
连接两个光路设备(如OLM等)，速度为10Mbit/s。ELM(电气链路模块)ITP接口和一个AUI接口。通过AUI接口可以连接到网络设备LAN上，速度为10Mbit/s。在普通OSM上，电气接口（TP/ITP）都是10/100Mbit/s自适应和线序自适应。光纤接口为100Mbit/s全双工的BFOC适用于多模光纤连接。二个OSM最长距离为3km。最多连接50个网段OSM，扩展距离为150km。还有地址学习、地址删除、传输波特率(10或100Mbit/s）自适应功能简化了网络配置，增强了网络扩展能力。此外，根据IEEE802.1Q标准，OSM/ESM还支持VLAN(虚拟局域网)提供数据包VLAN优先标签。它将数据分配到由低到高(0-7)的优先级，而没有目的地址的数据包被视为低优先级的数据帧。
3.3SIMATICNET工业以太网的拓扑结构 3.3.1总线拓扑结构 在OLM或ELM在总线拓扑结构中，DTE可通过设备ITP连接电缆和接口OLM或ELM上。每个OLM或ELM有三个ITP接口。OLM可通过光缆连接，最多可级联11个。而在ELM之间可以通过ITPXP最多可连接13根标准电缆。ESM可以通过TP/ITP电缆连接形成总网络。任何端口都可以用作级联端口。二个ESM距离不得超过100m整个网络最多可以连接50个ESM。
3.3.2 环型拓扑结构 OLM可以通过光缆将总线型网络首尾相连，从而构成环行网络。整个网络上最多可以级联11个OLM，与总线型网络相比冗余环网增加了数据交换的可靠性。而OSM/ESM也能够构成环网拓扑结构，它们具有网络冗余管理功能。它们通过DIP开关可以设置网络中的任何一个OSM/ESM做为冗余管理器。因而可以组成冗余的环网，其中OSM/ESM上7，8口作为环网的光缆级连接口。做为冗余管理器的OSM监测7，8口的状态，一旦检测到网络中断，将重新构建整个网络，将网络切换到备份的通道上，保证数据交换不会中断。网络重构时间小于0.3S。
3.4 环网冗余 在西门子工业以太网中，每个OSM/ESM上（除OSM TP22和ESM TP40）都有standby-sync接口。使用一对OSM/ESM，通过DIP开关设置备用（standby）主站和备用从站。用ITP XP标准电缆，将备用接口连接起来，则该对OSM/ESM可以用来冗余连接另外一个环网。备用主站和从站之间通过ITP XP9/9标准电缆连接。当备用主站通道出现故障时，备用从站连接通道工作；当备用主站通道恢复正常时，备用主站会通知备用从站，备用的从站将停止工作。而整个网络重构的时间小于0.3m。
3.5 SIMATIC NET工业以太网通信处理器 常用的SIMATIC NET工业以太网通信处理器（CP），包括用在S7PLC站上的处理器CP243-1系列，CP343-1系列，CP443-1系列以及用在PC上的网卡，并提供ITP，RJ45及AUI等以太网接口。它们以10/100 Mbit/s的速度将PLC或PC连接至工业以太网。CP系列模板是为S7系列PLC在组成工业以太网进行通信时使用的，通过CP系列模板用户可以很方便的将S7系列PLC通过以太网进行连接，并且支持使用STEP7-Micro/WIN32软件.通过以太网对S7系列PLC进行远程组态,编程和诊断.同时,通过CP,S7系列中各PLC之间可以进行以太网连接,并且还可以同PC上的OPC Server进行通信。
3.6 SIMATIC NET工业以太网软件 SIMATIC NET工业以太网软件包括SIMATIC NET V6.2和OPC（OLE for Process Control）,其中SIMATIC NET软件提高了统一的Windows届面，同时也集成并更新了更多的功能，特别是它提供了APC（Advanced PC Configuration）高级PC配置工具，通过APC的组态，PC可以作为整个系统控制系统的一个站点同其他PLC站进行通信，同时提供了OPC Server以及数据处理功能。OLE（对象连接和嵌入式）本身是基于Microsoft COM技术的一个应用，而OPC接口是基于OLE的开放的统一的软件接口。OPC不依靠于某一个厂商，几乎所以的工控软，硬件控制商都已集成了OPC接口，因此各不同硬件厂商之间的设备通信就可以通过统一的OPC接口进行，从而避免了不同设备的厂商由于通信协议的差异而造成数据交换困难的问题。SIMATIC NET OPC是服务器/客户端结构，客户端访问服务器的程序接口有自动化接口和用户自定义接口，其中只有自定义接口可以用来访问故障报警和触发事件消息。SIMATIC NET OPC的结构为分级模式，即OPC server --- OPC group --- OPC item,OPC数据访问均基于此结构。
4.工业以太网的前景和展望 工业以太网以其特有的低成本，高实效，高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业的厂商。一方面如此众多的厂商研制和开发工业以太网技术，如果不加以统一分规范，象现场总线的情况一样，标准众多，兼容性差，继而影响到工业以太网的发展。正是如此，国际社会已经开始着手制定一个工业以太网标准。在2004.5北京召开的国际工业以太网系列标准起草工作组（IEC/SC65C/WGs）第三次会议上,我们已经能够看到一个初具雏行的工业以太网国际标准,该系列标准将于2005.8定稿,经过2006.2和2006.12二次意见征求后,于2007年下半年正式发布。使得该系列标准从IS标准成为IEC标准6。另一方面，以太网和通信技术的突飞猛进也促使工业以太网技术进一步发展。现在工业以太网技术已经开始向实时工业以太网和无线工业以太网的方向发展。特别是奥地利贝加莱（B&R）已经开发出具有真正意义上的实时以太网（Ethernent Powerlink），而不久的将来，面向未来工业网络的新一代工业以太网组件也将出现。由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，随着工业以太网技术的发展将会取代现在的基于现场总线的工业网络，成为工业网络中的主流。