以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術

前言: 以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術在IT行業(yè)獲得了很大的成功, 成為IT行業(yè)應用中首選的網(wǎng)絡通信技術。近年來，由于國際現(xiàn)場總線技術標準化工作沒有達到人們理想中的結果，以太網(wǎng)及TCP/IP技術逐步在自動化行業(yè)中得到應用，并發(fā)展成為一種技術潮流。 以太網(wǎng)在自動化行業(yè)中的應用應該區(qū)分為兩個方面問題，或者說兩個層次的問題。一是工廠自動化技術與IT技術結合，與互連網(wǎng)Internet技術結合，成為未來可能的制造業(yè)電子商務技術、網(wǎng)絡制造技術雛形。大多數(shù)專家們對自動化技術這種發(fā)展趨勢給予肯定的評價。另一個方面，即以太網(wǎng)能否在工業(yè)過程控制底層，也就是設備層或稱為現(xiàn)場層廣泛應用？ 能否成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡標準？這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點。本文將只就這一問題,從以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的技術比較出發(fā),談談個人看法。 1．以太網(wǎng)指的是什么 什么是“以太網(wǎng)”？以及相關的IEEE 802.3及TCP/IP技術? 這對計算機網(wǎng)絡工程師可能是基本常識，但我們自動化技術工程師未必清楚。在討論以太網(wǎng)與自動化技術及現(xiàn)場總線技術之前,有必要先澄清一下這幾個基本術語的含義。筆者查閱了有關資料，現(xiàn)將有關“以太網(wǎng)”、IEEE 802.3及TCP/IP相關的技術背景摘要如下: 　　 (1) 以太網(wǎng):　 ►1975年: 美國施樂(Xerox)公司的Palo Alto研究中心研制成功[METC76]，該網(wǎng)采用無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)幀，故以傳播電磁波的“以太(Ether)”命名。 　　 ►1981年：美國施樂(Xerox)公司+數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司聯(lián)合推出以太網(wǎng)(EtherNet)規(guī)約[ETHE80] 　　 ►1982年：修改為第二版，DIX Ethernet V2 因此：“以太網(wǎng)”應該是特指“DIX Ethernet V2”所描述的技術?！　?　　 (2) IEEE802.3　　 ►80年代初期: 美國電氣和電子工程師學會IEEE 802委員會制定出局域網(wǎng)體系結構, 即IEEE 802參考模型.IEEE 802參考模型相當于OSI模型的最低兩層: 　　 ►1983年：IEEE 802 委員會以美國施樂(Xerox)公司+數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司提交的DIX Ethernet V2為基礎，推出了IEEE802.3 　　 ►IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)的網(wǎng)絡。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒體接入控制技術，或稱介質(zhì)訪問控制技術。 　　 因此: IEEE802.3 以“以太網(wǎng)”為技術原形，本質(zhì)特點是采用CSMA/CD 的介質(zhì)訪問控制技術?！耙蕴W(wǎng)”與IEEE802.3略有區(qū)別。但在忽略網(wǎng)絡協(xié)議細節(jié)時, 人們習慣將IEEE802.3稱為”以太網(wǎng)”。 　　 　　 與IEEE 802 有關的其它網(wǎng)絡協(xié)議：　　I IEEE 802.1—概述、體系結構和網(wǎng)絡互連，以及網(wǎng)絡管理和性能測量。 IEEE 802.2—邏輯鏈路控制LLC。最高層協(xié)議與任何一種局域網(wǎng)MAC子層的接口。　　 IEEE 802.3—CSMA/CD網(wǎng)絡，定義CSMA/CD總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?！　?IEEE 802.4—令牌總線網(wǎng)。定義令牌傳遞總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范。 IEEE 802.5—令牌環(huán)形網(wǎng)。定義令牌傳遞環(huán)形網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?！　?IEEE 802.6—城域網(wǎng)?！　?IEEE 802.7—寬帶技術。　　 IEEE 802.8—光纖技術?！　?IEEE 802.9—綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)?！　?IEEE 802.10—可互操作的局域網(wǎng)的安全?！　?IEEE 802.11—無線局域網(wǎng)?！　?IEEE 802.12—優(yōu)先高速局域網(wǎng)(100Mb/s)?！　?IEEE 802.13—有線電視(Cable-TV) 　　 　　 (3) TCP/IP協(xié)議　　 ►TCP/IP是多臺相同或不同類型計算機進行信息交換的一套通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議組的準確名稱應該是internet協(xié)議族，TCP和IP是其中兩個協(xié)議。而internet協(xié)議族TCP/IP還包含了與這兩個協(xié)議有關的其它協(xié)議及網(wǎng)絡應用，如用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）、地址轉(zhuǎn)化協(xié)議（ARP）和互連網(wǎng)控制報文協(xié)議（ICMP）。由于TCP/IP是internet采用的協(xié)議組，所以將TCP/IP體系結構稱作internet體系結構。 　　 ►以太網(wǎng)是TCP/IP使用最普遍的物理網(wǎng)絡，實際上TCP/IP技術支持各種局域網(wǎng)絡協(xié)議，包括：令牌總線、令牌環(huán)、FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）、SLIP（串行線路IP）、PPP（點到點協(xié)議）、X2.5數(shù)據(jù)網(wǎng)等。見圖1：TCP/IP技術支持的各種局域網(wǎng)絡協(xié)議 　　 由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的協(xié)議組，而TCP/IP底層物理網(wǎng)絡多數(shù)使用以太網(wǎng)協(xié)議，因此，以太網(wǎng)+TCP/IP成為IT行業(yè)中應用最普遍的技術。 　　 本文主題中所提到的“以太網(wǎng)”，按習慣主要指IEEE 802.3協(xié)議，如果進一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示。 　　 　　 2．以太網(wǎng)為什么會進入自動化行業(yè) 以太網(wǎng)+TCP/IP作為辦公網(wǎng)、商務網(wǎng)在IT行業(yè)中獨霸天下，其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)。但為什么近年來會逐步向自動化行業(yè)發(fā)展，形成與現(xiàn)場總線技術競爭的局面？回顧近年來自動化技術的發(fā)展, 可以了解到其中的原委?！　?（1）自動化技術從單機控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化 近年來，自動化技術發(fā)展使人們認識到，單純提高生產(chǎn)設備單機自動化水平，并不一定能給整個企業(yè)帶來好的效益；因此，企業(yè)給自動化技術提出的進一步要求是：將整個工廠作為一個系統(tǒng)實現(xiàn)其自動化，目標是實現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟效益。因此，有了現(xiàn)代制造自動化模型，見圖2。所以說自動化技術由單機自動化發(fā)展到系統(tǒng)自動化。 　　 <現(xiàn)代制造自動化模>　　 自動化技術從單機控制向工廠自動化FA、系統(tǒng)自動化方向發(fā)展。制造業(yè)對自動化技術提出了數(shù)字化通信及信息集成的技術的要求;即要求應用數(shù)字通信技術實現(xiàn)工廠信息縱向的透明通信。 　　 （2）工廠底層設備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成、車間底層數(shù)字通信網(wǎng)絡是信息集成系統(tǒng)的基礎 為滿足工廠上層管理對底層設備信息的要求, 工廠車間底層設備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成是實現(xiàn)全廠FA/CIMS的基礎。見圖3: 工廠自動化信息網(wǎng)絡分層結構：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級 <工廠自動化信息網(wǎng)絡分層結構：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級 > 　　 (3) 現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生　　 現(xiàn)場總線(FieldBus)是工廠底層設備之間的通信網(wǎng)絡，是計算機數(shù)字通信技術在自動化領域的應用,為車間底層設備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術平臺.圖4是工廠底層應用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信,即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取. <工廠底層應用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信> 　　 (4) 現(xiàn)場總線國際標準之一ROFIBUS技術　　 ROFIBUS技術是1987年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機構聯(lián)合開發(fā)；1989年批準為德國工業(yè)標準DIN 19245（PROFINUS-FMS/-DP）；1996年批準為歐洲標準EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；1999年PROFIBUS成為國際標準 IEC 61158 的組成部分(Type III). 　　 PROFIBUS技術為設備層提供了PROFIBUS-DP和-PA技術，為車間層提供了PROFIBUS-FMS技術,見圖5?！　?►PROFIBUS-DP是設備層現(xiàn)場總線, 用于控制器(如PLC、PC、NC)與現(xiàn)場控制設備（如驅(qū)動器、檢測設備、HMI等）之間的通信總線； 　　 ►設備層現(xiàn)場總線技術具有高速（12M）、實時、確定、可靠特點（如-DPV2可用于運動控制），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小。 　　 ►PROFIBUS-PA也是設備層總線，具有IEC61158-2的物理層，可實現(xiàn)總線供電，并有本質(zhì)安全技術。 　　 ►PROFIBUS-FMS車間級現(xiàn)場總線，主要用于車間級設備監(jiān)控。主要完成車間生產(chǎn)設備狀態(tài)及生產(chǎn)過程監(jiān)控、車間級生產(chǎn)管理、車間底層設備及生產(chǎn)信息集成。車間級現(xiàn)場總線具有傳輸數(shù)據(jù)量大、應用層信息規(guī)范完整等特點，對網(wǎng)絡實時性要求不高。 　　 　　 （5）國際現(xiàn)場總線技術標準IEC61158　　 根據(jù)現(xiàn)場總線技術概念，面對自動化行業(yè)千變?nèi)f化的現(xiàn)場儀表設備，要實現(xiàn)不同廠家不同種類產(chǎn)品的互連，現(xiàn)場總線技術標準化工作至關重要。為此， 國際IEC委員會于1984年提出制定現(xiàn)場總線技術標準IEC1158（即IEC61158）。 　　 A． IEC 61158目標：IEC1158的目標是制定面向整個工業(yè)自動化的現(xiàn)場總線標準。為此，根據(jù)不同行業(yè)對自動化技術的需求不同，將自動化技術分為五個不同的行業(yè)；見圖6：IEC1158的目標。IEC61158是要制定出一部滿足工業(yè)自動化五大行業(yè)不同應用需求的現(xiàn)場總線技術標準。 　　 　　 B．妥協(xié)的結果　　 經(jīng)過十幾年的努力，1998年，對IEC 61158 （TS）進行投票。由于IEC 61158 （TS）只包含了Process Control部分，因此，IEC 61158 （TS）沒有通過投票，自動化行業(yè)期待了十多年的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準的努力失敗。1999年12月，IEC61158放棄了原有設想，通過妥協(xié)方案，即： 以IEC 61158 （TS）+ Add.Protocols作為IEC61158技術標準的方案；其中Add.Protocols包含Control Net、PROFIBUS、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP和Interbus總線。　　 自動化行業(yè)將面臨一個多種總線技術標準并存的現(xiàn)實世界。 　　 C．IEC 61158發(fā)展歷程給我們的啟示　　 面對當今以太網(wǎng)在自動化領域的應用潮流，IEC 61158發(fā)展歷程至少給了我們兩點啟示，這對我們能夠清醒面對現(xiàn)實頗有好處：I、工業(yè)自動化技術應用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技術不可能滿足所有行業(yè)的技術要求；現(xiàn)場總線不同于計算機網(wǎng)絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現(xiàn)實世界。II、技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術標準不單是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。 　　 （6）以太網(wǎng)進入自動化領域　　 IEC61158制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準努力的失敗，使一部分人自然轉(zhuǎn)向了在IT行業(yè)已經(jīng)獲得成功的以太網(wǎng)技術。因此，現(xiàn)場總線標準之爭，給了以太網(wǎng)進入自動化領域一個難得的機會。積極推進這種技術概念的<