以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
| 58 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念，面對(duì)自動(dòng)化行業(yè)千變?nèi)f化的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)不同廠家不同種類產(chǎn)品的互連，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作至關(guān)重要。為此， 國(guó)際IEC委員會(huì)于1984年提出制定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC1158（即IEC61158）。 A． IEC 61158目標(biāo)：IEC1158的目標(biāo)是制定面向整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。為此，根據(jù)不同行業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的需求不同，將自動(dòng)化技術(shù)分為五個(gè)不同的行業(yè)；見圖6：IEC1158的目標(biāo)。IEC61158是要制定出一部滿足工業(yè)自動(dòng)化五大行業(yè)不同應(yīng)用需求的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 B．妥協(xié)的結(jié)果 經(jīng)過(guò)十幾年的努力，1998年，對(duì)IEC 61158 （TS）進(jìn)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(guò)投票，自動(dòng)化行業(yè)期待了十多年的統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的努力失敗。1999年12月，IEC61158放棄了原有設(shè)想，通過(guò)妥協(xié)方案，即： 以IEC 61158 （TS）+ Add.Protocols作為IEC61158技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化行業(yè)將面臨一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)實(shí)世界。 C．IEC 61158發(fā)展歷程給我們的啟示 面對(duì)當(dāng)今以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用潮流，IEC 61158發(fā)展歷程至少給了我們兩點(diǎn)啟示，這對(duì)我們能夠清醒面對(duì)現(xiàn)實(shí)頗有好處：I、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不可能滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現(xiàn)場(chǎng)總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會(huì)面對(duì)一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。II、技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場(chǎng)規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不單是一個(gè)技術(shù)規(guī)范，也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。 （6）以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域 IEC61158制定統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)努力的失敗，使一部分人自然轉(zhuǎn)向了在IT行業(yè)已經(jīng)獲得成功的以太網(wǎng)技術(shù)。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)，給了以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。積極推進(jìn)這種技術(shù)概念的如法國(guó)施耐德公司，面向工廠自動(dòng)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(shù)引入工廠設(shè)備底層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者，已有一批工業(yè)級(jí)產(chǎn)品問(wèn)世和實(shí)際應(yīng)用。 3． 太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，以太網(wǎng)工業(yè)在自動(dòng)化領(lǐng)域已有不少成功應(yīng)用實(shí)例，主要集中在以下幾個(gè)方面： （1） 車間級(jí)生產(chǎn)信息集成：主要由專用生產(chǎn)設(shè)備、專用測(cè)試設(shè)備、條碼器、PC機(jī)及以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成；主要功能是完成車間級(jí)生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。管理層信息網(wǎng)絡(luò)：即支撐工廠管理層MIS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。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(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)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(cè)SCADA系統(tǒng)等。個(gè)別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：個(gè)別要求高可靠性和一定實(shí)時(shí)性的分布式控制系統(tǒng)也有采用以太網(wǎng)+TCP/IP技術(shù)，并獲得很好的效果；如水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 既然以太網(wǎng)已成功的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化諸多方面，既然IEC61158沒有給出一個(gè)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為什么不能將以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)過(guò)程控制底層，即設(shè)備層，成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)？這就回到了本文開篇的話題。在這個(gè)問(wèn)題上，除去各公司利益代言人從公司市場(chǎng)利益出發(fā)的商業(yè)宣傳不算，就是自動(dòng)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(chǎng)總技術(shù)研發(fā)工作，習(xí)慣從技術(shù)方面將以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行比較，從而得出幾點(diǎn)看法。 4. 以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的比較 （1） 物理層 現(xiàn)場(chǎng)總線 A. 傳輸介質(zhì)：多數(shù)采用屏蔽雙絞電纜（RS-485）、光纖、同軸電纜，以解決長(zhǎng)線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率和電磁干擾等問(wèn)題。也有無(wú)線傳輸方案，以適應(yīng)不同場(chǎng)合需要。 B. 插件：各種防護(hù)等級(jí)工業(yè)級(jí)的接插件。 C． 線供電及本質(zhì)安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的場(chǎng)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(zhì)：UTP3類線、UTP5類線、 屏蔽雙絞電纜、光纖、同軸電纜, 無(wú)線傳輸?shù)慕鉀Q方案。 B. 插件：RJ45、AUI、BNC C. 總線供電及本質(zhì)安全：無(wú)。 D. 編碼：同步、曼徹斯特編碼。 E. 傳輸速率：10M、100M ?。? （2） 介質(zhì)訪問(wèn)控制方式 現(xiàn)場(chǎng)總線： 現(xiàn)場(chǎng)總線的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實(shí)時(shí)性和確定性。確定性指站點(diǎn)每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間隔和時(shí)間是確定的；實(shí)時(shí)性指網(wǎng)絡(luò)分配給站點(diǎn)的服務(wù)時(shí)間和間隔可以保證站點(diǎn)完成它確定的任務(wù)。 目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用的介質(zhì)訪問(wèn)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(wèn)/沖突檢測(cè)）是以太網(wǎng)（或IEEE802.3）采用的介質(zhì)訪問(wèn)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(diào)度方式，應(yīng)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(wèn)/沖突檢測(cè)）機(jī)理，它不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和確定性要求。由于以太網(wǎng)與CSMA/CD具有對(duì)等的技術(shù)內(nèi)涵，可以說(shuō)以太網(wǎng)不是傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求的實(shí)時(shí)性和確定性網(wǎng)絡(luò)。 （3）傳輸效率：不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)報(bào)文長(zhǎng)度有一個(gè)限制。在網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(yàn)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(luò)有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，或者說(shuō)反映一次有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鷥r(jià)?！ ? 傳輸效率=有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)/[全部附加字段長(zhǎng)+有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)] 以太網(wǎng)全部附加字段長(zhǎng)=26字節(jié)******有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)=1500字節(jié)最小有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)=1字節(jié)（小于46時(shí)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(chǎng)總線PROFIBUS全部附加字段長(zhǎng)=11字節(jié)******有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)=244字節(jié)最小有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)=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(chǎng)設(shè)備信息規(guī)范及功能規(guī)范 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)用層互聯(lián)。 例：PROFIBUS行規(guī)： ▼NC/RC行規(guī) （機(jī)器人、數(shù)控行規(guī)） ▼各種速度驅(qū)動(dòng)器的行規(guī) ▼操作員控制和過(guò)程監(jiān)視 （HMI） 行規(guī) ▼對(duì)編碼器的行規(guī) ▼控制器間通信的行規(guī) ▼樓宇自動(dòng)化的行規(guī) ▼低壓開關(guān)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(dòng)化領(lǐng)域能走多遠(yuǎn) 以太網(wǎng)在工廠自動(dòng)化管理層和車間監(jiān)控層已得到廣泛應(yīng)用和用戶認(rèn)可，在設(shè)備層對(duì)實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場(chǎng)合也有許多應(yīng)用；如果以太網(wǎng)希望走的更遠(yuǎn)，能夠全面進(jìn)入工廠底層成為設(shè)備連接的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，那么，以太網(wǎng)必須作出技術(shù)改進(jìn)。 （1） 改進(jìn)物理層 A. 傳輸介質(zhì)應(yīng)能提供多種工業(yè)級(jí)護(hù)套和鎧裝電纜、光纖等. B. 各種防護(hù)等級(jí)工業(yè)級(jí)的接插件。 &n |
