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【摘要】本文就以太網在自動化領域應用現狀及前景、以太網與現場總線技術等熱點問題，從技術比較出發，發表了個人看法。本文認為：以太網在工廠管理層、車間監控層將成為主流技術，與互連網技術結合是未來eManufactory技術基礎; 在沒有嚴格時間要求的設備層也將獲得一定的發展；但對一般工業網絡要求實時性、確定性通信場合，現場總線技術還將處于主導地位；我們必須學會面對一個多種網絡技術并存的現實世界。 <BR> 【關鍵詞】以太網 現場總線 PLC <BR> 【正文】 <BR> 前言:<BR> 以太網及TCP/IP通信技術在IT行業獲得了很大的成功, 成為IT行業應用中首選的網絡通信技術。近年來，由于國際現場總線技術標準化工作沒有達到人們理想中的結果，以太網及TCP/IP技術逐步在自動化行業中得到應用，并發展成為一種技術潮流。<BR> 以太網在自動化行業中的應用應該區分為兩個方面問題，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Internet技術結合，成為未來可能的制造業電子商務技術、網絡制造技術雛形。大多數專家們對自動化技術這種發展趨勢給予肯定的評價。另一個方面，即以太網能否在工業過程控制底層，也就是設備層或稱為現場層廣泛應用？ 能否成為甚至取代現有的現場總線技術成為統一的工業網絡標準？這些問題實為目前自動化行業專家們爭論的熱點。本文將只就這一問題,從以太網與現場總線的技術比較出發,談談個人看法。<BR> 1． 以太網指的是什么<BR> 什么是“以太網”？以及相關的IEEE 802.3及TCP/IP技術? 這對計算機網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。在討論以太網與自動化技術及現場總線技術之前,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，現將有關“以太網”、IEEE 802.3及TCP/IP相關的技術背景摘要如下:<BR> (1) 以太網: <BR> ►1975年: 美國施樂(Xerox)公司的Palo Alto研究中心研制成功[METC76]，該網采用無源電纜作為總線來傳送數據幀，故以傳播電磁波的“以太(Ether)”命名。<BR> ►1981年：美國施樂(Xerox)公司+數字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司聯合推出以太網(EtherNet)規約[ETHE80]<BR> ►1982年：修改為第二版，DIX Ethernet V2<BR> 因此：“以太網”應該是特指“DIX Ethernet V2”所描述的技術。<BR> <BR> (2) IEEE802.3<BR> ►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體系結構, 即IEEE 802參考模型.<BR> IEEE 802參考模型相當于OSI模型的最低兩層:<BR> <BR> ►1983年：IEEE 802 委員會以美國施樂(Xerox)公司+數字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司提交的DIX Ethernet V2為基礎，推出了IEEE802.3<BR> ►IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)的網絡。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒體接入控制技術，或稱介質訪問控制技術。<BR> <BR> 因此: IEEE802.3 以“以太網”為技術原形，本質特點是采用CSMA/CD 的介質訪問控制技術。“以太網”與IEEE802.3略有區別。但在忽略網絡協議細節時, 人們習慣將IEEE802.3稱為”以太網”。<BR> <BR> 與IEEE 802 有關的其它網絡協議：<BR> IEEE 802.1—概述、體系結構和網絡互連，以及網絡管理和性能測量。<BR> IEEE 802.2—邏輯鏈路控制LLC。最高層協議與任何一種局域網MAC子層的接口。<BR> IEEE 802.3—CSMA/CD網絡，定義CSMA/CD總線網的MAC子層和物理層的規范。<BR> IEEE 802.4—令牌總線網。定義令牌傳遞總線網的MAC子層和物理層的規范。<BR> IEEE 802.5—令牌環形網。定義令牌傳遞環形網的MAC子層和物理層的規范。<BR> IEEE 802.6—城域網。<BR> IEEE 802.7—寬帶技術。<BR> IEEE 802.8—光纖技術。<BR> IEEE 802.9—綜合話音數據局域網。<BR> IEEE 802.10—可互操作的局域網的安全。<BR> IEEE 802.11—無線局域網。<BR> IEEE 802.12—優先高速局域網(100Mb/s)。<BR> IEEE 802.13—有線電視(Cable-TV)<BR> <BR> (3) TCP/IP協議<BR> ►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議。TCP/IP協議組的準確名稱應該是internet協議族，TCP和IP是其中兩個協議。而internet協議族TCP/IP還包含了與這兩個協議有關的其它協議及網絡應用，如用戶數據報協議（UDP）、地址轉化協議（ARP）和互連網控制報文協議（ICMP）。由于TCP/IP是internet采用的協議組，所以將TCP/IP體系結構稱作internet體系結構。<BR> ►以太網是TCP/IP使用最普遍的物理網絡，實際上TCP/IP技術支持各種局域網絡協議，包括：令牌總線、令牌環、FDDI（光纖分布式數據接口）、SLIP<BR> （串行線路IP）、PPP（點到點協議）、X2.5數據網等。見圖1：TCP/IP技術支持的各種局域網絡協議<BR> 由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的協議組，而TCP/IP底層物理網絡多數使用以太網協議，因此，以太網+TCP/IP成為IT行業中應用最普遍的技術。<BR> 本文主題中所提到的“以太網”，按習慣主要指IEEE 802.3協議，如果進一步采用TCP/IP協議族，則采用“以太網+TCP/IP”來表示。<BR> <BR> 2．以太網為什么會進入自動化行業<BR> 以太網+TCP/IP作為辦公網、商務網在IT行業中獨霸天下，其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統。但為什么近年來會逐步向自動化行業發展，形成與現場總線技術競爭的局面？回顧近年來自動化技術的發展, 可以了解到其中的原委。<BR> （1） 自動化技術從單機控制發展到工廠自動化FA，發展到系統自動化<BR> 近年來，自動化技術發展使人們認識到，單純提高生產設備單機自動化水平，并不一定能給整個企業帶來好的效益；因此，企業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實現其自動化，目標是實現企業的最佳經濟效益。因此，有了現代制造自動化模型，見圖2。所以說自動化技術由單機自動化發展到系統自動化。<BR> <現代制造自動化模><BR> 自動化技術從單機控制向工廠自動化FA、系統自動化方向發展。制造業對自動化技術提出了數字化通信及信息集成的技術的要求;即要求應用數字通信技術實現工廠信息縱向的透明通信。<BR> （2）工廠底層設備狀態及生產信息集成、車間底層數字通信網絡是信息集成系統的基礎<BR> 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及生產信息集成是實現全廠FA/CIMS的基礎。見圖3: 工廠自動化信息網絡分層結構：工廠管理級、車間監控級、現場設備級<BR> <工廠自動化信息網絡分層結構：工廠管理級、車間監控級、現場設備級 ><BR> (3) 現場總線技術的產生<BR> 現場總線(FieldBus)是工廠底層設備之間的通信網絡，是計算機數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是工廠底層應用現場總線技術實現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據存取.<BR> <工廠底層應用現場總線技術實現了全廠信息縱向集成的透明通信><BR> (4) 現場總線國際標準之一ROFIBUS技術<BR> ROFIBUS技術是1987年由Siemens公司等13家企業和5家研究機構聯合開發；1989年批準為德國工業標準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).<BR> 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。<BR> ►PROFIBUS-DP是設備層現場總線, 用于控制器(如PLC、PC、NC)與現場控制設備（如驅動器、檢測設備、HMI等）之間的通信總線； <BR> ►設備層現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），傳輸的數據量相對較小。<BR> ►PROFIBUS-PA也是設備層總線，具有IEC61158-2的物理層，可實現總線供電，并有本質安全技術。 <BR> ►PROFIBUS-FMS車間級現場總線，主要用于車間級設備監控。主要完成車間生產設備狀態及生產過程監控、車間級生產管理、車間底層設備及生產信息集成。車間級現場總線具有傳輸數據量大、應用層信息規范完整等特點，對網絡實時性要求不高。<BR> （5）國際現場總線技術標準IEC61158<BR> 根據現場總線技術概念，面對自動化行業千變萬化的現場儀表設備，要實現不同廠家不同種類產品的互連，現場總線技術標準化工作至關重要。為此， 國際IEC委員會于1984年提出制定現場總線技術標準IEC1158（即IEC61158）。<BR> A． IEC 61158目標：IEC1158的目標是制定面向整個工業自動化的現場總線標準。為此，根據不同行業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；見圖6：IEC1158的目標。IEC61158是要制定出一部滿足工業自動化五大行業不同應用需求的現場總線技術標準。<BR> <BR> B．妥協的結果<BR> 經過十幾年的努力，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，自動化行業期待了十多年的統一的現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。<BR> 自動化行業將面臨一個多種總線技術標準并存的現實世界。<BR> C．IEC 61158發展歷程給我們的啟示<BR> 面對當今以太網在自動化領域的應用潮流，IEC 61158發展歷程至少給了我們兩點啟示，這對我們能夠清醒面對現實頗有好處：I、工業自動化技術應用于各行各業，使用一種現場總線技術不可能滿足所有行業的技術要求；現場總線不同于計算機網絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現實世界。II、技術發展很大程度上受到市場規律、商業利益的制約；技術標準不單是一個技術規范，也是一個商業利益的妥協產物。<BR> （6）以太網進入自動化領域<BR> IEC61158制定統一的現場總線技術標準努力的失敗，使一部分人自然轉向了在IT行業已經獲得成功的以太網技術。因此，現場總線標準之爭，給了以太網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如法國施耐德公司，面向工廠自動化提出了基于以太網+TCP/IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。望文生義可以理解為：“協議規范統一，信息透明存取”。 施耐德公司是將以太網技術引入工廠設備底層，廣泛取代現有現場總線技術的積極倡導者和實踐者，已有一批工業級產品問世和實際應用。<BR> 3． 太網在自動化領域應用現狀<BR> 目前，以太網工業在自動化領域已有不少成功應用實例，主要集中在以下幾個方面：<BR> (1) 車間級生產信息集成：主要由專用生產設備、專用測試設備、條碼器、PC機及以太網絡設備組成；主要功能是完成車間級生產信息及產品質量信息的管理。管理層信息網絡：即支撐工廠管理層MIS系統的計算機網絡。主要完成如ERP的信息系統。SCADA系統：特別是一些區域廣泛、含有計算機廣域網技術、無線通信技術的SCADA系統，如城市供水或污水管網的SCADA系統、水利水文信息監測SCADA系統等。個別的控制系統網絡：個別要求高可靠性和一定實時性的分布式控制系統也有采用以太網+TCP/IP技術，并獲得很好的效果；如水電廠的計算機監控系統。<BR> 既然以太網已成功的應用于工業自動化諸多方面，既然IEC61158沒有給出一個統一的現場總線技術標準，為什么不能將以太網技術引入工業過程控制底層，即設備層，成為甚至取代現有的現場總線技術成為統一的工業網絡標準？這就回到了本文開篇的話題。在這個問題上，除去各公司利益代言人從公司市場利益出發的商業宣傳不算，就是自動化行業專家們也是智者見智，仁者見仁，看法不盡相同。筆者從事現場總技術研發工作，習慣從技術方面將以太網與現場總線技術進行比較，從而得出幾點看法。<BR> 4. 以太網與現場總線技術的比較<BR> (1) 物理層<BR> 現場總線<BR> A. 傳輸介質：多數采用屏蔽雙絞電纜（RS-485）、光纖、同軸電纜，以解決長線傳輸、數據傳輸速率和電磁干擾等問題。也有無線傳輸方案，以適應不同場合需要。<BR> B. 插件：各種防護等級工業級的接插件。<BR> B． 線供電及本質安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的場合。<BR> D. 編碼：異步 NRZ、位同步曼徹斯特編碼等。<BR> E. 傳輸速率：9.6k~12M <BR> 以太網<BR> A. 傳輸介質：UTP3類線、UTP5類線、 屏蔽雙絞電纜、光纖、同軸電纜, 無線傳輸的解決方案。<BR> B. 插件：RJ45、AUI、BNC<BR> C. 總線供電及本質安全：無。<BR> D. 編碼：同步、曼徹斯特編碼。<BR> E. 傳輸速率：10M、100M <BR> (2) 介質訪問控制方式<BR> 現場總線：<BR> 現場總線的介質訪問控制方式要滿足工業控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網絡分配給站點的服務時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務。<BR> 目前現場總線技術采用的介質訪問控制方式主要有：令牌、主從、生產者/客戶（producer/consumer） <BR> 以太網<BR> CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)是以太網（或IEEE802.3）采用的介質訪問控制方式，如果不是這樣就不是以太網（或IEEE802.3）；比如采用令牌調度方式，應是基于IEEE 802.4令牌總線網。<BR> 根據CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)機理，它不能滿足工業網絡通信的實時性和確定性要求。由于以太網與CSMA/CD具有對等的技術內涵，可以說以太網不是傳統工業網絡要求的實時性和確定性網絡。<BR> <BR> （3）傳輸效率：不同網絡對報文長度有一個限制。在網絡報文中，除了有效傳輸數據之外，還有一些作為同步、地址、校驗等附加字段。有效數據字段與附加字段之比反映的網絡有效數據傳輸的效率，或者說反映一次有效數據傳輸的代價。通常報文格式如下:<BR> <報文格式><BR> 傳輸效率=有效數據長/[全部附加字段長+有效數據長]<BR> <BR> 以太網全部附加字段長=26字節最大有效數據長=1500字節最小有效數據長=1字節（小于46時填0）最大傳輸效率=1500/（1500+26）=98.3%最小傳輸效率=1/（1+26+45）=1.39% 現場總線PROFIBUS全部附加字段長=11字節最大有效數據長=244字節最小有效數據長=1字節最大傳輸效率=244/（244+11）=95.69%最小傳輸效率=1/（1+11）=8.33%<BR> 工業網典型傳輸數據量（字節） 傳輸效率 工業網典型傳輸數據量（字節） 傳輸效率<BR> 8 11.11% 8 42.11%<BR> 16 22.22% 16 59.26%<BR> 24 33.33% 24 68.57%<BR> 32 44.44% 32 74.42%<BR> 40 55.55/5 40 78.43%<BR> 48 64.86% 48 81.36%<BR> 56 68.29% 56 83.58%<BR> 64 71.11% 64 85.33%<BR> 128 83.11% 128 92.09%<BR> <以太網與PROFIBUS參數比較><BR> <BR> (3) 現場設備信息規范及功能規范<BR> 現場設備信息格式及功能描述規范稱為”行規”(Profile), 行規可有效實現各種現場設備應用層互聯。<BR> 例：PROFIBUS行規：<BR> ▼NC/RC行規 (機器人、數控行規) <BR> ▼各種速度驅動器的行規<BR> ▼操作員控制和過程監視 (HMI) 行規<BR> ▼對編碼器的行規 <BR> ▼控制器間通信的行規 <BR> ▼樓宇自動化的行規 <BR> ▼低壓開關裝置的行規 <BR> ▼溫度、壓力、液位、流量變送器和定位器等行規<BR> 3. 以太網在自動化領域能走多遠<BR> 以太網在工廠自動化管理層和車間監控層已得到廣泛應用和用戶認可，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用；如果以太網希望走的更遠，能夠全面進入工廠底層成為設備連接的主要網絡技術，那么，以太網必須作出技術改進。<BR> (1) 改進物理層<BR> A. 傳輸介質應能提供多種工業級護套和鎧裝電纜、光纖等.<BR> B. 各種防護等級工業級的接插件。<BR> C. 應該具有總線供電及本質安全的解決方案, 用于流程控制及要求防爆功能的場合。<BR> (2) 如何滿足實時性和確定性要求? 提高帶寬、減少碰撞是最直接的辦法，有一定效果；但“盡量的快”和“一定快”是不同的。近年來，以太網在CSMA/CD技術基礎上也有一些改進，如應用智能集線器、交換機技術等，但沒有從機理上保證通信的實時性和確定性。<BR> 如何進一步解決這個問題？無非有軟件為主和硬件為主的兩種思路；硬件方案是設計新型智能網絡交換設備，希望不要一味走增加帶寬的老路；軟件解決方案是在一定帶寬資源基礎上，由軟件調度實現實時、確定性通信功能。<BR> 需要指出的是，以太網技術存在上述缺憾，不意味著以太網就不能在現場層應用，事實上以太網在很多對時間要求不是非常苛刻的現場層，已有很多成功應用范例。<BR> (3) 成本：以太網進入現場層，單站點成本是必需考慮的因素；與目前現場總線（PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet）產品競爭。<BR> 4. 以太網能否取代現場總線技術成為統一的工業網絡標準<BR> （1） 預測未來是最艱難的事；現場總線是專為工業現場層設備通信設計，是為自動化量體裁衣的技術。以太網設計初衷是辦公網，用于數據處理。從技術比較出發似乎很容易得出結論。但技術發展受社會政治、經濟影響，市場因素很大程度左右技術走向，回顧計算機發展歷史，這種先例不勝枚舉。因此，以太網在工廠自動化車間監控層及管理層將成為主要應用技術，特別是采用TCP/IP協議可與互連網Internet連接, 是未來eManufactory的技術基礎。在設備層，在沒有嚴格的時間要求條件下，以太網也可以有部分市場。在以太網能夠真正解決實時性和確定性問題之前，大部分現場層仍然會首選現場總線技術。<BR> （2） 一體化與多元化并存<BR> 面對這樣一個多種工業總線技術并存的現狀，我們應該有一個豁達的心態。哲學家告訴我們，一體化與多元化是一對互為依存的矛盾，將長時間共存與競爭；以太網反映了人們要求技術標準化、一體化的愿望，而現實是不能用一種技術覆蓋各行業所有不同需求。IEC61158的發展歷程就給了我們一個深刻的啟示，我們必須學會面對一個多種工業總線技術競爭和共存的現實世界。<BR> 4. 可能的解決方案<BR> 在面對具體問題時如何作出選擇呢？我認為，就事論事是明智之舉。簡單地說，你的項目最適合使用什么技術就采用什么技術。<BR> （1）車間級生產信息集成更適合使用以太網<BR> 理由如下：<BR> A. 多數加工設備具有RS-232接口:如條碼機, 專用工設備;<BR> B. 實時性, 確定性, 可靠性要求不高;<BR> C. 與上層網絡的信息規范和軟件接口兼容<BR> (2) 設備級控制優先選用現場總線技術<BR> 理由如下：<BR> A. 實時性, 確定性, 可靠性要求；<BR> B. 專用性: 如需要嚴格同步的運動控制采用Sercos、PROFIBUS-DPV2；<BR> C. 可靠性：工業級的傳輸層增強系統可靠性；<BR> D. 現場總線技術種類、產品繁多，能夠提供各種成本的解決方案。<BR> （3）其它：根據技術要求，就事論事的選擇你的解決方案。<BR>
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煙臺正維科技有限公司
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