以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術
| 58 根據(jù)現(xiàn)場總線技術概念，面對自動化行業(yè)千變萬化的現(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如法國施耐德公司，面向工廠自動化提出了基于以太網(wǎng)+TCP/IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。望文生義可以理解為：“協(xié)議規(guī)范統(tǒng)一，信息透明存取”。 施耐德公司是將以太網(wǎng)技術引入工廠設備底層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術的積極倡導者和實踐者，已有一批工業(yè)級產(chǎn)品問世和實際應用。 3． 太網(wǎng)在自動化領域應用現(xiàn)狀 目前，以太網(wǎng)工業(yè)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： （1） 車間級生產(chǎn)信息集成：主要由專用生產(chǎn)設備、專用測試設備、條碼器、PC機及以太網(wǎng)絡設備組成；主要功能是完成車間級生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質量信息的管理。管理層信息網(wǎng)絡：即支撐工廠管理層MIS系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡。主要完成如ERP的信息系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)：特別是一些區(qū)域廣泛、含有計算機廣域網(wǎng)技術、無線通信技術的SCADA系統(tǒng)，如城市供水或污水管網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、水利水文信息監(jiān)測SCADA系統(tǒng)等。個別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡：個別要求高可靠性和一定實時性的分布式控制系統(tǒng)也有采用以太網(wǎng)+TCP/IP技術，并獲得很好的效果；如水電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。 既然以太網(wǎng)已成功的應用于工業(yè)自動化諸多方面，既然IEC61158沒有給出一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準，為什么不能將以太網(wǎng)技術引入工業(yè)過程控制底層，即設備層，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(fā)的商業(yè)宣傳不算，就是自動化行業(yè)專家們也是智者見智，仁者見仁，看法不盡相同。筆者從事現(xiàn)場總技術研發(fā)工作，習慣從技術方面將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術進行比較，從而得出幾點看法。 4. 以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術的比較 （1） 物理層 現(xiàn)場總線 A. 傳輸介質：多數(shù)采用屏蔽雙絞電纜（RS-485）、光纖、同軸電纜，以解決長線傳輸、數(shù)據(jù)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。 B. 插件：各種防護等級工業(yè)級的接插件。 C． 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。 D. 編碼：異步 NRZ、位同步曼徹斯特編碼等。 E. 傳輸速率：9.6k～12M 以太網(wǎng) 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?shù)慕鉀Q方案。 B. 插件：RJ45、AUI、BNC C. 總線供電及本質安全：無。 D. 編碼：同步、曼徹斯特編碼。 E. 傳輸速率：10M、100M ?。? （2） 介質訪問控制方式 現(xiàn)場總線： 現(xiàn)場總線的介質訪問控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)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(wǎng)絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網(wǎng)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。 目前現(xiàn)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(chǎn)者/客戶（producer/consumer） 以太網(wǎng) CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）是以太網(wǎng)（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(wǎng)（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(wǎng)。 根據(jù)CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）機理，它不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡通信的實時性和確定性要求。由于以太網(wǎng)與CSMA/CD具有對等的技術內涵，可以說以太網(wǎng)不是傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡要求的實時性和確定性網(wǎng)絡。 （3）傳輸效率：不同網(wǎng)絡對報文長度有一個限制。在網(wǎng)絡報文中，除了有效傳輸數(shù)據(jù)之外，還有一些作為同步、地址、校驗等附加字段。有效數(shù)據(jù)字段與附加字段之比反映的網(wǎng)絡有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩蛘哒f反映一次有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鷥r。 傳輸效率=有效數(shù)據(jù)長/[全部附加字段長+有效數(shù)據(jù)長] 以太網(wǎng)全部附加字段長=26字節(jié)******有效數(shù)據(jù)長=1500字節(jié)最小有效數(shù)據(jù)長=1字節(jié)（小于46時填0）******傳輸效率=1500/（1500+26）=98.3%最小傳輸效率=1/（1+26+45）=1.39% 現(xiàn)場總線PROFIBUS全部附加字段長=11字節(jié)******有效數(shù)據(jù)長=244字節(jié)最小有效數(shù)據(jù)長=1字節(jié)******傳輸效率=244/（244+11）=95.69%最小傳輸效率=1/（1+11）=8.33% 工業(yè)網(wǎng)典型傳輸數(shù)據(jù)量（字節(jié)） 傳輸效率 工業(yè)網(wǎng)典型傳輸數(shù)據(jù)量（字節(jié)） 傳輸效率 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% （4） 現(xiàn)場設備信息規(guī)范及功能規(guī)范 現(xiàn)場設備信息格式及功能描述規(guī)范稱為”行規(guī)”（Profile）, 行規(guī)可有效實現(xiàn)各種現(xiàn)場設備應用層互聯(lián)。 例：PROFIBUS行規(guī)： ▼NC/RC行規(guī) （機器人、數(shù)控行規(guī)） ▼各種速度驅動器的行規(guī) ▼操作員控制和過程監(jiān)視 （HMI） 行規(guī) ▼對編碼器的行規(guī) ▼控制器間通信的行規(guī) ▼樓宇自動化的行規(guī) ▼低壓開關裝置的行規(guī) ▼溫度、壓力、液位、流量變送器和定位器等行規(guī) 5.以太網(wǎng)在自動化領域能走多遠 以太網(wǎng)在工廠自動化管理層和車間監(jiān)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(wǎng)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(wǎng)絡技術，那么，以太網(wǎng)必須作出技術改進。 （1） 改進物理層 A. 傳輸介質應能提供多種工業(yè)級護套和鎧裝電纜、光纖等. B. 各種防護等級工業(yè)級的接插件。 &n |
