以太網與現場總線技術

前言: 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。 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。 1．以太網指的是什么 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: 　　 (1) 以太網:　 ►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。 　　 ►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] 　　 ►1982年：修改為第二版，DIX Ethernet V2 因此：“以太網”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。 　　 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”。 　　 　　 與IEEE 802 有關的其它網絡協議：　　I 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。 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?！　?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。　　 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。 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?！　?IEEE 802.6—城域網。　　 IEEE 802.7—寬帶技術?！　?IEEE 802.8—光纖技術。　　 IEEE 802.9—綜合話音數據局域網?！　?IEEE 802.10—可互操作的局域網的安全。　　 IEEE 802.11—無線局域網?！　?IEEE 802.12—優先高速局域網(100Mb/s)。　　 IEEE 802.13—有線電視(Cable-TV) 　　 　　 (3) TCP/IP協議　　 ►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。 　　 ►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（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 　　 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。 　　 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。 　　 　　 2．以太網為什么會進入自動化行業 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。　　 （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 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。 　　 <現代制造自動化模>　　 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。 　　 （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 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 <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 > 　　 (3) 現場總線技術的產生　　 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. <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> 　　 (4) 現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). 　　 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； 　　 ►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。 　　 ►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。 　　 ►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。 　　 　　 （5）國際現場總線技術標準IEC61158　　 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）。 　　 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。 　　 　　 B．妥協的結果　　 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?！　?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。 　　 C．IEC 61158發展歷程給我們的啟示　　 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。 　　 （6）以太網進入自動化領域　　 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<