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以太网与现场总线技术

发布日期:2011-09-27   作者:唐济扬   浏览次数:26259
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【摘   要】:以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大的成功, 成为IT行业应用中首选的网络通信技术。近年来,由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果,以太网及TCP/IP技术逐步在自动化行业中得到应用,并发展成为一种技术潮流。

 前言:
以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大的成功, 成为IT行业应用中首选的网络通信技术。近年来,由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果,以太网及TCP/IP技术逐步在自动化行业中得到应用,并发展成为一种技术潮流。

以太网在自动化行业中的应用应该区分为两个方面问题,或者说两个层次的问题。一是工厂自动化技术与IT技术结合,与互连网Internet技术结合,成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定的评价。另一个方面,即以太网能否在工业过程控制底层,也就是设备层或称为现场层广泛应用? 能否成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准?这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点。本文将只就这一问题,从以太网与现场总线的技术比较出发,谈谈个人看法。

1.以太网指的是什么
什么是“以太网”?以及相关的IEEE 802.3及TCP/IP技术? 这对计算机网络工程师可能是基本常识,但我们自动化技术工程师未必清楚。在讨论以太网与自动化技术及现场总线技术之前,有必要先澄清一下这几个基本术语的含义。笔者查阅了有关资料,现将有关“以太网”、IEEE 802.3及TCP/IP相关的技术背景摘要如下:

(1) 以太网: 
1975年: 美国施乐(Xerox)公司的Palo Alto研究中心研制成功[METC76],该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧,故以传播电磁波的“以太(Ether)”命名。

1981年:美国施乐(Xerox)公司+数字装备公司(Digital)+英特尔(Intel)公司联合推出以太网(EtherNet)规约[ETHE80]

1982年:修改为第二版,DIX Ethernet V2
因此:“以太网”应该是特指“DIX Ethernet V2”所描述的技术。  

(2) IEEE802.3  
80年代初期: 美国电气和电子工程师学会IEEE 802委员会制定出局域网体系结构, 即IEEE 802参考模型.IEEE 802参考模型相当于OSI模型的最低两层:

1983年:IEEE 802 委员会以美国施乐(Xerox)公司+数字装备公司(Digital)+英特尔(Intel)公司提交的DIX Ethernet V2为基础,推出了IEEE802.3

IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的网络。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒体接入控制技术,或称介质访问控制技术。

因此: IEEE802.3 以“以太网”为技术原形,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”。


与IEEE 802 有关的其它网络协议:  I
IEEE 802.1—概述、体系结构和网络互连,以及网络管理和性能测量。
IEEE 802.2—逻辑链路控制LLC。最高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。  
IEEE 802.3—CSMA/CD网络,定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。  
IEEE 802.4—令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。
IEEE 802.5—令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。  
IEEE 802.6—城域网。  
IEEE 802.7—宽带技术。  
IEEE 802.8—光纤技术。  
IEEE 802.9—综合话音数据局域网。  
IEEE 802.10—可互操作的局域网的安全。  
IEEE 802.11—无线局域网。  
IEEE 802.12—优先高速局域网(100Mb/s)。  
IEEE 802.13—有线电视(Cable-TV)


(3) TCP/IP协议  
TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。TCP/IP协议组的准确名称应该是internet协议族,TCP和IP是其中两个协议。而internet协议族TCP/IP还包含了与这两个协议有关的其它协议及网络应用,如用户数据报协议(UDP)、地址转化协议(ARP)和互连网控制报文协议(ICMP)。由于TCP/IP是internet采用的协议组,所以将TCP/IP体系结构称作internet体系结构。

以太网是TCP/IP使用最普遍的物理网络,实际上TCP/IP技术支持各种局域网络协议,包括:令牌总线、令牌环、FDDI(光纤分布式数据接口)、SLIP(串行线路IP)、PPP(点到点协议)、X2.5数据网等。见图1:TCP/IP技术支持的各种局域网络协议

由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的协议组,而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网协议,因此,以太网+TCP/IP成为IT行业中应用最普遍的技术。

本文主题中所提到的“以太网”,按习惯主要指IEEE 802.3协议,如果进一步采用TCP/IP协议族,则采用“以太网+TCP/IP”来表示。


2.以太网为什么会进入自动化行业
以太网+TCP/IP作为办公网、商务网在IT行业中独霸天下,其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。但为什么近年来会逐步向自动化行业发展,形成与现场总线技术竞争的局面?回顾近年来自动化技术的发展, 可以了解到其中的原委。  
(1)自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA,发展到系统自动化
近年来,自动化技术发展使人们认识到,单纯提高生产设备单机自动化水平,并不一定能给整个企业带来好的效益;因此,企业给自动化技术提出的进一步要求是:将整个工厂作为一个系统实现其自动化,目标是实现企业的最佳经济效益。因此,有了现代制造自动化模型,见图2。所以说自动化技术由单机自动化发展到系统自动化。

<现代制造自动化模>  
自动化技术从单机控制向工厂自动化FA、系统自动化方向发展。制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成的技术的要求;即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。

(2)工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络是信息集成系统的基础
为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求, 工厂车间底层设备状态及生产信息集成是实现全厂FA/CIMS的基础。见图3: 工厂自动化信息网络分层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级
<工厂自动化信息网络分层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级 >

(3) 现场总线技术的产生  
现场总线(FieldBus)是工厂底层设备之间的通信网络,是计算机数字通信技术在自动化领域的应用,为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台.图4是工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成的透明通信,即从管理层到自动化底层的数据存取.
<工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成的透明通信>

(4) 现场总线国际标准之一ROFIBUS技术  
ROFIBUS技术是1987年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发;1989年批准为德国工业标准DIN 19245(PROFINUS-FMS/-DP);1996年批准为欧洲标准EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP);1999年PROFIBUS成为国际标准 IEC 61158 的组成部分(Type III).

PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP和-PA技术,为车间层提供了PROFIBUS-FMS技术,见图5。  
PROFIBUS-DP是设备层现场总线, 用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场控制设备(如驱动器、检测设备、HMI等)之间的通信总线;

设备层现场总线技术具有高速(12M)、实时、确定、可靠特点(如-DPV2可用于运动控制),传输的数据量相对较小。

PROFIBUS-PA也是设备层总线,具有IEC61158-2的物理层,可实现总线供电,并有本质安全技术。

PROFIBUS-FMS车间级现场总线,主要用于车间级设备监控。主要完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点,对网络实时性要求不高。


(5)国际现场总线技术标准IEC61158  
根据现场总线技术概念,面对自动化行业千变万化的现场仪表设备,要实现不同厂家不同种类产品的互连,现场总线技术标准化工作至关重要。为此, 国际IEC委员会于1984年提出制定现场总线技术标准IEC1158(即IEC61158)。

A. IEC 61158目标:IEC1158的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准。为此,根据不同行业对自动化技术的需求不同,将自动化技术分为五个不同的行业;见图6:IEC1158的目标。IEC61158是要制定出一部满足工业自动化五大行业不同应用需求的现场总线技术标准。


B.妥协的结果  
经过十几年的努力,1998年,对IEC 61158 (TS)进行投票。由于IEC 61158 (TS)只包含了Process Control部分,因此,IEC 61158 (TS)没有通过投票,自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败。1999年12月,IEC61158放弃了原有设想,通过妥协方案,即: 以IEC 61158 (TS)+ Add.Protocols作为IEC61158技术标准的方案;其中Add.Protocols包含Control Net、PROFIBUS、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP和Interbus总线。  
自动化行业将面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。

C.IEC 61158发展历程给我们的启示  
面对当今以太网在自动化领域的应用潮流,IEC 61158发展历程至少给了我们两点启示,这对我们能够清醒面对现实颇有好处:I、工业自动化技术应用于各行各业,使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求;现场总线不同于计算机网络,人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。II、技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约;技术标准不单是一个技术规范,也是一个商业利益的妥协产物。

(6)以太网进入自动化领域  
IEC61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败,使一部分人自然转向了在IT行业已经获得成功的以太网技术。因此,现场总线标准之争,给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。积极推进这种技术概念的如法国施耐德公司,面向工厂自动化提出了基于以太网+TCP/IP的解决方案,称之为“透明工厂”。望文生义可以理解为:“协议规范统一,信息透明存取”。 施耐德公司是将以太网技术引入工厂设备底层,广泛取代现有现场总线技术的积极倡导者和实践者,已有一批工业级产品问世和实际应用。

3.以太网在自动化领域应用现状  
目前,以太网工业在自动化领域已有不少成功应用实例,主要集中在以下几个方面:  
(1) 车间级生产信息集成:主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、PC机及以太网络设备组成;主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。管理层信息网络:即支撑工厂管理层MIS系统的计算机网络。主要完成如ERP的信息系统。SCADA系统:特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术的SCADA系统,如城市供水或污水管网的SCADA系统、水利水文信息监测SCADA系统等。个别的控制系统网络:个别要求高可靠性和一定实时性的分布式控制系统也有采用以太网+TCP/IP技术,并获得很好的效果;如水电厂的计算机监控系统。

既然以太网已成功的应用于工业自动化诸多方面,既然IEC61158没有给出一个统一的现场总线技术标准,为什么不能将以太网技术引入工业过程控制底层,即设备层,成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准?这就回到了本文开篇的话题。在这个问题上,除去各公司利益代言人从公司市场利益出发的商业宣传不算,就是自动化行业专家们也是智者见智,仁者见仁,看法不尽相同。笔者从事现场总技术研发工作,习惯从技术方面将以太网与现场总线技术进行比较,从而得出几点看法。

4. 以太网与现场总线技术的比较  
(1) 物理层  

现场总线  
A. 传输介质:多数采用屏蔽双绞电缆(RS-485)、光纤、同轴电缆,以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案,以适应不同场合需要。  
B. 插件:各种防护等级工业级的接插件。  
C. 线供电及本质安全:如IEC61158-2,用于流程控制及要求防爆功能的场合。
D. 编码:异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。  
E. 传输速率:9.6k~12M   

以太网  
A. 传输介质:UTP3类线、UTP5类线、 屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输的解决方案。  
B. 插件:RJ45、AUI、BNC
C. 总线供电及本质安全:无。  
D. 编码:同步、曼彻斯特编码。  
E. 传输速率:10M、100M

(2) 介质访问控制方式  
现场总线:  
现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求,即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的;实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。

目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有:令牌、主从、生产者/客户(producer/consumer)

以太网  
CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)是以太网(或IEEE802.3)采用的介质访问控制方式,如果不是这样就不是以太网(或IEEE802.3);比如采用令牌调度方式,应是基于IEEE 802.4令牌总线网。

根据CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机理,它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网与CSMA/CD具有对等的技术内涵,可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性和确定性网络。


(3)传输效率:不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中,除了有效传输数据之外,还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映的网络有效数据传输的效率,或者说反映一次有效数据传输的代价。通常报文格式如下:  
<报文格式>
传输效率=有效数据长/[全部附加字段长+有效数据长]

以太网全部附加字段长=26字节最大有效数据长=1500字节最小有效数据长=1字节(小于46时填0)最大传输效率=1500/(1500+26)=98.3%最小传输效率=1/(1+26+45)=1.39% 现场总线PROFIBUS全部附加字段长=11字节最大有效数据长=244字节最小有效数据长=1字节最大传输效率=244/(244+11)=95.69%最小传输效率=1/(1+11)=8.33%

工业网典型传输数据量(字节) 传输效率 工业网典型传输数据量(字节) 传输效率
8 11.11% 8 42.11%
16 22.22% 16 59.26%
24 33.33% 24 68.57%
32 44.44% 32 74.42%
40 55.55/5 40 78.43%
48 64.86% 48 81.36%
56 68.29% 56 83.58%
64 71.11% 64 85.33%
128 83.11% 128 92.09%
<以太网与PROFIBUS参数比较>


(3) 现场设备信息规范及功能规范 
现场设备信息格式及功能描述规范称为”行规”(Profile), 行规可有效实现各种现场设备应用层互联。

例:PROFIBUS行规:
▼NC/RC行规 (机器人、数控行规)
▼各种速度驱动器的行规
▼操作员控制和过程监视 (HMI) 行规
▼对编码器的行规
▼控制器间通信的行规
▼楼宇自动化的行规
▼低压开关装置的行规
▼温度、压力、液位、流量变送器和定位器等行规

3. 以太网在自动化领域能走多远  
以太网在工厂自动化管理层和车间监控层已得到广泛应用和用户认可,在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用;如果以太网希望走的更远,能够全面进入工厂底层成为设备连接的主要网络技术,那么,以太网必须作出技术改进。

(1) 改进物理层 
A. 传输介质应能提供多种工业级护套和铠装电缆、光纤等.  
B. 各种防护等级工业级的接插件。  
C. 应该具有总线供电及本质安全的解决方案, 用于流程控制及要求防爆功能的场合。

(2) 如何满足实时性和确定性要求? 提高带宽、减少碰撞是最直接的办法,有一定效果;但“尽量的快”和“一定快”是不同的。近年来,以太网在CSMA/CD技术基础上也有一些改进,如应用智能集线器、交换机技术等,但没有从机理上保证通信的实时性和确定性。

如何进一步解决这个问题?无非有软件为主和硬件为主的两种思路;硬件方案是设计新型智能网络交换设备,希望不要一味走增加带宽的老路;软件解决方案是在一定带宽资源基础上,由软件调度实现实时、确定性通信功能。

需要指出的是,以太网技术存在上述缺憾,不意味着以太网就不能在现场层应用,事实上以太网在很多对时间要求不是非常苛刻的现场层,已有很多成功应用范例。

(3) 成本:以太网进入现场层,单站点成本是必需考虑的因素;与目前现场总线(PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet)产品竞争。

4. 以太网能否取代现场总线技术成为统一的工业网络标准  
(1) 预测未来是最艰难的事;现场总线是专为工业现场层设备通信设计,是为自动化量体裁衣的技术。以太网设计初衷是办公网,用于数据处理。从技术比较出发似乎很容易得出结论。但技术发展受社会政治、经济影响,市场因素很大程度左右技术走向,回顾计算机发展历史,这种先例不胜枚举。因此,以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术,特别是采用TCP/IP协议可与互连网Internet连接, 是未来eManufactory的技术基础。在设备层,在没有严格的时间要求条件下,以太网也可以有部分市场。在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前,大部分现场层仍然会首选现场总线技术。

(2) 一体化与多元化并存
面对这样一个多种工业总线技术并存的现状,我们应该有一个豁达的心态。哲学家告诉我们,一体化与多元化是一对互为依存的矛盾,将长时间共存与竞争;以太网反映了人们要求技术标准化、一体化的愿望,而现实是不能用一种技术覆盖各行业所有不同需求。IEC61158的发展历程就给了我们一个深刻的启示,我们必须学会面对一个多种工业总线技术竞争和共存的现实世界。

4. 可能的解决方案
在面对具体问题时如何作出选择呢?我认为,就事论事是明智之举。简单地说,你的项目最适合使用什么技术就采用什么技术。

(1)车间级生产信息集成更适合使用以太网
理由如下:
A. 多数加工设备具有RS-232接口:如条码机, 专用工设备;
B. 实时性, 确定性, 可靠性要求不高;
C. 与上层网络的信息规范和软件接口兼容

(2) 设备级控制优先选用现场总线技术
理由如下:
A. 实时性, 确定性, 可靠性要求;
B. 专用性: 如需要严格同步的运动控制采用Sercos、PROFIBUS-DPV2;
C. 可靠性:工业级的传输层增强系统可靠性;
D. 现场总线技术种类、产品繁多,能够提供各种成本的解决方案。

(3)其它:根据技术要求,就事论事的选择你的解决方案。
 
 
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