工業(yè)以太網與現場總線技術詳細解釋

隨著“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的展開，計算機技術、通訊技術、IT技術的發(fā)展已經滲入到工控領域，其中最主要的表現就是工業(yè)現場總線技術和工業(yè)以太網技術。其中工業(yè)現場總線技術，特別是以太網技術的廣泛使用，為自動化技術帶來了深刻變革。

【現場總線】

現場總線式應用在生產現場、連接智能現場設備和自動化測量控制系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。

它是一種工業(yè)數據總線，是自動化領域中底層數據通信網絡。

【控制組成】

1.現場總線控制系統(tǒng)

它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數，進行網絡組態(tài)。在網絡運行過程中系統(tǒng)實時采集數據、進行數據處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等。

2.現場總線的測量系統(tǒng)

其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數字信號，具有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進行調整。

3.設備管理系統(tǒng)

可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息(包括智能儀表)、廠商提供的設備制造信息。

4.總線系統(tǒng)計算機服務模塊

以客戶機/服務器模式是目前較為流行的網絡計算機服務模式。服務器表示數據源(提供者)，應用客戶機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，并進一步進行處理?？头繖C運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。

5.數據庫

它能有組織的、動態(tài)的存儲大量有關數據與應用程序，實現數據的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業(yè)設備在運行過程中參數連續(xù)變化，數據量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的數據了系統(tǒng)。

6.網絡系統(tǒng)的硬件與軟件

網絡系統(tǒng)硬件：系統(tǒng)管理主機、服務器、網關、協(xié)議變換器、集線器、用戶計算機等底層智能化儀表

網絡系統(tǒng)軟件：NetWarc、LAN Mangger、Vines

服務器操作軟件：Lenix、os/2、windowNT、應用軟件數據庫、通信協(xié)議、網絡管理協(xié)議等。

【總線分類】

目前世界上存在著大約四十余種現場總線，這些現場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業(yè)和樓宇等領域，目前的工業(yè)總線網絡可歸為三類：485網絡、HART網絡、FieldBUS現場總線網絡。

485網絡：RS485/MODBUS是現在流行的一種工業(yè)組網方式，其特點是實施簡單方便，而且現在支持RS485的儀表又特別多?，F在的儀表商也紛紛轉而支持RS485/MODBUS，原因很簡單， RS485的轉換接口不僅便宜得而且種類繁多。至少在低端市場上，RS485/MODBUS仍將是最主要的工業(yè)組網方式。

HART網絡：HART是由艾默生提出的一個過度性總線標準，主要特征是在4-20毫安電流信號上面疊加數字信號，但該協(xié)議并未真正開放，要加入他的基金會才能拿到協(xié)議，而加入基金會要一定的費用。HART技術主要被國外幾家大公司壟斷，近些年國內也有公司在做，但還沒有達到國外公司的水平?，F在有很多智能儀表帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國內情況來看，還沒有真正用到這部分功能來進行設備聯網監(jiān)控，最多只是利用手操器對其進行參數設定。從長遠來看，由于HART通信速率低、組網困難等原因，HART儀表的應用將呈下滑趨勢。

FieldBus現場總線網絡：現場總線是當今自動化領域的熱點技術之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現標志著自動化控制技術又一個新時代的開始。現場總線是連接控制現場的儀表與控制室內的控制裝置的數字化、串行、多站通信的網絡。其關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數字化通信?，F場總線技術近年來成為國際上自動化和儀器儀表發(fā)展的熱點，它的出現使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構產生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化”的方向進一步邁進，形成新型的網絡通信的全分布式控制系統(tǒng)——現場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)。然而，到目前為止，現場總線還沒有形成真正統(tǒng)一的標準，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準并行存在，并且都有自己的生存空間。何時統(tǒng)一，遙遙無期。目前，支持現場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的余地小，價格又偏高，用量也較小。

【特點優(yōu)缺點】

1.特點

現場控制設備具有通信功能，便于構成工廠底層控制網絡。

通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設備間具有互可操作性。

功能塊與結構的規(guī)范化使相同功能的設備間具有互換性。

控制功能下放到現場，使控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性。

2.優(yōu)點

現場總線使自控設備與系統(tǒng)步入信息網絡的行業(yè)，為其應用開拓了更為廣闊的領域;

一堆雙絞線上可接掛多了控制設備，便于節(jié)省安裝費用;

節(jié)省維護開銷;

提高了系統(tǒng)的可靠性;

為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權。

3.缺點

網絡通信中數據包的傳輸延遲，通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數據包丟失，發(fā)送與到達次序的不一致等都會破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更為復雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負面影響。

【工業(yè)以太網】

工業(yè)以太網是指技術上與商用以太網兼容，但在產品設計上，在實時性、可靠性、環(huán)境適應性等方面滿足工業(yè)現場的需要，是繼現場總線之后發(fā)展起來，最被認同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網絡。

工業(yè)以太網的本質就是以太網技術辦公自動化走向工業(yè)自動化。

工業(yè)以太網與傳統(tǒng)以太網絡的比較

【操作要求】

1.工業(yè)生產環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣體的存在，要求工業(yè)級的產品具有氣候環(huán)境適應性，并要求耐腐蝕、防塵和防水。

2.工業(yè)生產現場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需要采取防爆措施保證安全生產。

3.工業(yè)生產現場的振動、電磁干擾大，工業(yè)控制網絡必須具有機械環(huán)境適應性(如耐振動、耐沖擊)、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性(EMC)等。

4.工業(yè)網絡器件的供電，通常是采用柜內低壓直流電源標準，大多的工業(yè)環(huán)境中控制柜內所需電源為低壓24V直流。

5.采用標準導軌安裝，安裝方便，適用于工業(yè)環(huán)境安裝的要求，工業(yè)網絡器件要能方便地安裝在工業(yè)現場控制柜內，并容易更換。

【主要標準】

工業(yè)以太網是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當的應用層和用戶層協(xié)議，使以太網和TCP/IP技術真正應用到控制層，延伸到現場層，而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效而又最新的成果，因此，工業(yè)以太網與以太網在工業(yè)中的應用全然不是同一個概念。

1.IDA的通信結構和通信協(xié)議

DA是一種完全建立在以太網基礎上的工業(yè)以太網規(guī)范，將一種實時的基于WEB的分布自動化環(huán)境與集中的安全體系結構加以結合，目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案。

2.Ethernet/IP的通信結構和通信協(xié)議

ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet，還控制另一個總線EtherNet/IP，它把處于應用層和用戶層的DeviceNet和ControlNet的目標庫CIP(包含了所有經典的PLC運算)，與以太網物理介質捆綁在一起。

3.PROFlnet的通信結構和通信協(xié)議

如圖，它的數據鏈路層采用了旨在減小處理通信棧所需時間的一種傳輸協(xié)議，從而極大地縮短了網絡的刷新時間，確保刷新時間在5~10MS。實時通道除了可進行循環(huán)傳輸外，還可完成非循環(huán)(事件觸發(fā)、過程數據修改、操作指令下達等)傳輸。同時還要加入網絡管理、WEB功能，以及直接集成I/O設備等。

4.HSE的通信結構和通信協(xié)議

美國的FF(現場總線基金會)采用高速以太網開發(fā)的FCS系統(tǒng)控制級以上通信網絡的主干網，控制級以下仍使用H1現場總線，構成信息集成開放的體系結構，HSE遵循標準的以太網規(guī)范。FF在去規(guī)范中規(guī)定了21中功能塊，供基本過程控制和先進過程控制使用。這些標準功能塊駐留與HSE相連的現場設備中，只要通過組態(tài)就予以鏈接。為進行復雜的批處理和混合控制等應用，FF還規(guī)定了柔性功能塊，支持數據采集的監(jiān)控、子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數據采集，并可用作與PLC和其他協(xié)議通信的網間連接器，所以我們可得出這樣一個結論：HSE工業(yè)以太網為連續(xù)的過程控制工業(yè)和斷續(xù)的制造業(yè)所需的連續(xù)實時控制提供了各種的解決方案，它為連續(xù)過程控制系統(tǒng)、斷續(xù)制造的控制系統(tǒng)、批量控制系統(tǒng)以及MES、ERP等企業(yè)信息管理系統(tǒng)的集成，提供了一種相當成熟的工業(yè)以太網的標準協(xié)議。

【應用于工業(yè)控制需要解決的問題】

工業(yè)以太網，一般來講技術上與商業(yè)以太網兼容，但在產品設計時，在實時性、可靠性、環(huán)境的適應性等方面能滿足工業(yè)現場的需要，是一種典型的工業(yè)通信網絡。與商用以太網相比，工業(yè)以太網在以下方面具有特殊要求：

1.要求有高實時性與良好的時間確定性

2.傳送信息多為短幀信息，且信息交換頻繁

3.容錯能力強，可靠性、安全性好

4.控制網絡結構具有高度分散性

5.控制網絡協(xié)議簡單實用，工作效率高

6.控制設備的智能化與控制功能的自治性

7.與信息網絡之間有高效率的通信，易于實現與信息網絡的集成

8.設備的可靠性與環(huán)境適應性

9.遠距離傳輸

10.總線供電

11.網絡安全性

12.互操作性

【優(yōu)勢】

1.應用廣泛

以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，收到廣泛的技術支持，最典型的的以太網應用形式如：Ethernet+TCP/IP+web。幾乎所有的編程語言都支持Ethernet的應用開發(fā)。

2.成本低廉

由于以太網的應用最為廣泛，因此收到硬件開發(fā)商與生產廠商的高度重視與廣泛支持，有很多硬件產品供用戶選擇， 而且由于應用廣泛，硬件價格也相對低廉。

3.通信速率高

目前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網也開始廣泛應用，1000M以太網技術也逐漸成熟，10G以太網也正在研究，其通信速率比目前的現場總線快得多。

4.軟硬件資源豐富

以太網已應用多年，人們對以太網的設計、應用等多方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統(tǒng)開發(fā)和培訓費用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)開發(fā)和推廣速度。

5.可持續(xù)發(fā)展能力強

由于以太網的廣泛應用，它的反戰(zhàn)一直得到廣泛的重視和大量的技術投入，形成全球性的技術支持，并且在當前信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信網絡管理，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

6.易于實現管控一體化

易于實現控制網絡與信息網絡的無縫集成，建立統(tǒng)一的企業(yè)網絡，可實現嵌入式控制器，智能現場測控儀表和傳感器等方便地接入以太網絡，直至與Internet相連。