Ethernet 與現(xiàn)場總線器

1 引 言
　　二十一世紀是信息經(jīng)濟的時代。隨著計算機技shu、信息技shu的飛速發(fā)展，全球市場進一步形成，競爭也 加劇，產(chǎn)品技shu含量更高、換代時間更短。處于全球市場之中的工業(yè)生產(chǎn)為了適應(yīng)市場競爭的需要，在追求競爭力的過程中逐漸形成了計算機集成制造系統(tǒng)。計算機集成制造系統(tǒng)采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點組織生產(chǎn)，把市場、生產(chǎn)計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計算機、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技shu來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策等。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，bixu要將企業(yè)內(nèi)現(xiàn)場控制、過程監(jiān)控、經(jīng)營管理、市場管理等各層次設(shè)備互聯(lián)成綜合自動化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各層次的住處匯通和數(shù)據(jù)共享，即實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的“管控一體化”。
　　為此，企業(yè)shou先bixu對ge種企業(yè)資源建立完善的管理網(wǎng)絡(luò)，使各方面資源充分調(diào)配、平衡和控制，zui大限度地發(fā)揮其能力；其次，bixu形成市場、經(jīng)營、生產(chǎn)和研發(fā)之間緊密的協(xié)作鏈。

   工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)上看可分為三個層次：即管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層。如圖一所示。其中，zui上層的企業(yè)管理層網(wǎng)絡(luò)，主要用于企業(yè)的計劃、銷售、庫存、財務(wù)、人事以及企業(yè)的經(jīng)營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設(shè)備之間一般以發(fā)送電子郵件、下載網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)庫查詢、打印文檔、讀取文件服務(wù)器上的計算機程序等方式進行信息的交換，數(shù)據(jù)報文通常都比較長，吞吐量較大，而且數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機的、無規(guī)則的，因為要求網(wǎng)絡(luò)bixu具有較大的帶寬。管理層網(wǎng)絡(luò)主要由快SUEthernet(100M、1G、10G等)組成。中間的制造執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)控、優(yōu)化、調(diào)度等方面信息的傳輸，其 te點是信息傳輸具有一ding的周期性和實時性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有較大的帶寬，以前由zhuan用網(wǎng)絡(luò)如令牌網(wǎng)組成，召集這一層網(wǎng)絡(luò)則 主要由傳輸速率較高的網(wǎng)段（如10M、100MEthernet等）組成。而zui底層的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，與變送器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備相連，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將控制數(shù)據(jù)送入設(shè)備。它與以傳遞信息為主要目標(biāo)的郵電通信技shu以及其它信息網(wǎng)絡(luò)技shu相比，具有一些 tesu性。由于工業(yè)自動控制網(wǎng)絡(luò)通信的zui終目的是通過傳遞測量和控制數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運動和轉(zhuǎn)換，因此這種網(wǎng)絡(luò)通信技shu具有以下 tesu性：
　　① 數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)的實時性：通常,制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求在0.01~0.5s,過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.5~2S。而信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間則是2~6S。顯然，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實時性要求高得多。
　�、� 高可kao性：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)強調(diào)在工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳送的完整性，對于工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，bixu解決環(huán)境適應(yīng)性問題它包括電磁 環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC、氣候環(huán)境適應(yīng)性（要nai溫、防水、防塵）、機械環(huán)境適應(yīng)性（要nai沖擊、nai振動）。在易爆或可燃的場合，它應(yīng)具有本質(zhì)an全的性能。
　�、� 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)需要解決不同廠商的產(chǎn)品和系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上相互兼容 的問題，強調(diào) 互可操作性，因此它在現(xiàn)代通信系統(tǒng)所基于的ISO/OSI“開放系統(tǒng)互連的參考模型”上，加了用戶層，通過標(biāo)準功能塊和裝置描述（DD）功能來解決這種完整的開放性通信。
　　④ 總線供電。工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不jin能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。
　　⑤ 廣播、多播與單播通信方式：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)把公散的單一用戶（變送器、執(zhí)行器、控制器或控制系統(tǒng)等）接入某個系統(tǒng)，其通信方式常使用廣播方式、多組方式或基于客戶/服務(wù)器的單播方式。在IT網(wǎng)絡(luò)中一個自主系統(tǒng)與另一個自主系統(tǒng)只在需要通信時建立一對一的方式。
　　⑥ 現(xiàn)場控制層設(shè)備間傳輸?shù)男畔㈤L度都比較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、開關(guān)與閥門的工作位置、報警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點與量程調(diào)校信息等。其長度一般都比較小，通常jin為幾位（bit）或幾個、十幾、幾十個字節(jié)(byte)，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳�求不高�?br /> 　　正是由于以上 te點和 tesu性，目前現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)主要由低速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（如FF、Profibus、 DeviceNet等）組成。

2、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展回顧
　　所謂現(xiàn)場總線，按照guoji電工委員會IEC/SC65C的定義，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）�，F(xiàn)場總線的生產(chǎn)是多方面因素共同作用的結(jié)果。
　　現(xiàn)場總線的生產(chǎn)shou先反映了儀器儀表本身發(fā)展的需要。儀器儀表的發(fā)展經(jīng)歷了全模擬式儀表、儀表、具有通信功能的儀表、現(xiàn)場總線儀表等幾個階段。其中，全模擬式儀表是將傳感器信號進行調(diào)理放大后，經(jīng)過V/I電路轉(zhuǎn)換，輸出4~20mA或0~5V的模擬信號，（如圖2（a）所示）。其后隨著計算機技shu的發(fā)展，微處理器在儀器儀表中得到了廣fan應(yīng)用，過程變量經(jīng)調(diào)理放大、A/D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并經(jīng)過微處理器的運算、補償?shù)忍幚砗螅�再通過D/A、V/I等電路，仍然以4~20mA或0~5V的模擬信號輸出（如圖2（b）所示），這種儀表相對于全模擬儀表來講，測量精度得到大大ti gao，但信號傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾，傳輸精度和可kao性都不高。于是，人們在儀器儀表中增加了通信接口（如RS232/485等），以數(shù)字通信的方式代替模擬信號傳輸（如圖2（c）所示）。但由于這些通信標(biāo)準只規(guī)定了物理層上的電氣 te性，而對于數(shù)據(jù)鏈路層及其以上各高層協(xié)議規(guī)范，則沒有統(tǒng)一ding義，致使不同生產(chǎn)廠家的儀器儀表由于通信協(xié)議的專有與不兼容而無法實現(xiàn)相互之間的信息互訪。為解決這個問題，bixu使這些網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準進行統(tǒng)一，組成開放互連系統(tǒng)，于是就產(chǎn)生了現(xiàn)場總線。其次，現(xiàn)場總線的產(chǎn)生也反映了企業(yè)管控一體化信息集成的要求。
　　因此，從20世紀80年代開始，ge種現(xiàn)場總線相繼產(chǎn)生，其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡(luò)Lon Works(Local Operating Network)、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process FieldBus）和HART協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer）以及DeviceNet、ControlNet、P-NET,等等。
　　面對如此之多的現(xiàn)場總線，用戶如何選擇？為解決這個問題，guoji電工委員會IEC在1984年就開始籌備制定單一現(xiàn)場總線guoji標(biāo)準。然而，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅(qū)使，圍繞著現(xiàn)場總線技shu的標(biāo)準進行了一場大戰(zhàn)，zui后經(jīng)過多方妥協(xié)，于1999年年底通過了包含F(xiàn)F、Profibus等八種總線在內(nèi)的IEC61158，沒有實現(xiàn)制定單一標(biāo)準的目標(biāo)。這個結(jié)局表明，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)多種現(xiàn)場部線將并存，控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成與信息集成會面臨復(fù)雜的局面。無論是zui終用戶還是制造商，普遍都在關(guān)注現(xiàn)場總線技shu的發(fā)展新動向，都有在尋求高性能低成本的解決方案。
　　在ge種現(xiàn)場總線的競爭中，以Ethernet為代表的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）通信技shu正成為現(xiàn)場總線發(fā)展中新的亮點。

3、為什么以前不用Ethernet作現(xiàn)場總線？
　　Ethernet（Ethernet）zui初是在1973年由Dr Robert Metcacfe領(lǐng)導(dǎo)的小組在Xerox Palo Aleto Research Park研制出來的，應(yīng)用于微型計算機系統(tǒng)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)終端。后幾經(jīng)修改，1983年出版了的IEEE802.3標(biāo)準，它和1985年發(fā)布的ISO8802.3標(biāo)準是相同的。
　　Ethernet采用星型或總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10M、100M、1000M甚至更高，傳輸介質(zhì)為屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜等。
　　Ethernet區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)（如令牌網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、主從式網(wǎng)絡(luò)等）的重要 te點是，它采用的介質(zhì)訪問控制方法—CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問）是一種非確定性或隨機性通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點要發(fā)送報文時，shou先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；如果兩個或更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時發(fā)送報文時，將發(fā)生碰撞，同時節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度的進間后重新發(fā)送。16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器回報失敗信息。
　　在網(wǎng)絡(luò)負荷較高時，Ethernet上存在的這種碰撞成了主在的問題，因為它ji大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時，并導(dǎo)致Ethernet實際性能的下降。由于在一系列碰撞后，報文可能會丟失，因此節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障。Ethernet的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時和通信響應(yīng)的“不確定性”。
　　而對于工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，Ethernet的這種通信“不確定性”會導(dǎo)致通信延遲的“不確定性”，并導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，控制效果不穩(wěn)定，甚至?xí)�引起系統(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時，還會因報警信息不能及時得到響應(yīng)，而導(dǎo)致災(zāi)難事件的發(fā)生，并成了它應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主要障礙。
　　Ethernet沒有用于現(xiàn)場總線的另外一個重在原因是，作為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的核心組成部分—微處理器，在20世紀80年代時還處于初期發(fā)展階段，功能簡單，數(shù)字處理力不強，不能處理Ethernet上“捆綁”使用的TCP/IP協(xié)議。

4、Ethernet正逐漸進入工業(yè)控制領(lǐng)域
　　盡管Ethernet是一種隨機性網(wǎng)絡(luò)，但由于其技shu比較簡單、完全公開，能很快被大家接受，通過不斷改進、提升，市場占有率（ te別是辦公自動化OA領(lǐng)域的市場占有率）越來越大，而成本卻越來越低，進而變成主流，即使IBM力推Token Ring（令牌環(huán)網(wǎng)）架構(gòu)也已難擋此潮流。據(jù)VDC調(diào)查報告，如今已有約93%以上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有Ethernet接口。
那么，Ethernet能不能應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域呢？
　　我們知道，令牌總線控制方式在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用得較多，其 te點是，網(wǎng)絡(luò)上各工作站對總線的控制權(quán)是由令牌來控制的。收到令牌的節(jié)點在一段規(guī)定時間內(nèi)擁有網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的控制訪問權(quán)，并向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一幀或多幀信息，當(dāng)該站傳輸已經(jīng)完成或它占用網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定時間到時，它就將令牌傳遞到下一邏輯站。因此，傳輸過程就是由交替進行的數(shù)據(jù)傳輸階段和令牌傳送階段組成。由于令牌傳遞時間、擁有令牌的節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的時間是預(yù)先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量一ding的情況下，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息發(fā)送的時間是可以預(yù)先估計出來的，因此，令牌網(wǎng)又稱為“確定性”網(wǎng)絡(luò)。顯然，這種確定性的比較適合通信確定性和響應(yīng)實時性要求較高的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。其中Arcnet網(wǎng)絡(luò)就是比較 的令牌總線之一，傳輸速率為2.5Mbps,數(shù)據(jù)幀長度zui大為508字節(jié)，可使用電纜、雙絞線和光纖等傳輸介質(zhì)。
　　可以發(fā)現(xiàn)，在負荷較輕時，Ethernet網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度明顯大于Arcnet網(wǎng)絡(luò)，但隨著 負荷的增加Ethernet網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度就急劇下降，而Arcnet網(wǎng)絡(luò)卻下降得fei 常緩慢。這 是因為，當(dāng)負荷輕時，Ethernet網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)生碰撞的概率很低，幾乎可以 隨時發(fā)送，而Arcnet網(wǎng)絡(luò)則bi需要有令牌才能發(fā)送，當(dāng)然沒有Ethernet網(wǎng)快。但當(dāng)負荷
很重時，Ethernet網(wǎng)的碰撞概率急劇增加，這就象一群人亂哄哄的擠一個門，這群人要完全進入門中，得花費很長時間。而Arcnet則象一群人排隊進一個門，其進入速度肯定比前者快。同時，也可看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負荷低于25%時，Ethernet網(wǎng)的響應(yīng)速度要比Arcnet網(wǎng)要快。這典型的工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，通信峰值負荷為10M Ethernet的5%，100M Ethernet
網(wǎng)絡(luò)中的負荷為0.5%。如果通過仔細設(shè)計,對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量和通信流量進行控制,使網(wǎng)絡(luò)負荷低于10%,完全可以采用Ethernet網(wǎng)來取代Arcnet網(wǎng)等令牌網(wǎng)。事實上，由于以太網(wǎng)接口芯片已fei 常普遍，價格低廉,已從OA領(lǐng)域逐漸擴展到FA（工廠自動化）領(lǐng)域，目前幾乎所有遠程I/O和控制器的均能提供一個支持TCP/IP的Ethernet接口。與此同時，Ethernet也成現(xiàn)場總線技shu發(fā)展的新趨勢，并被作為ge種現(xiàn)場總線的高速組成部分，如HSE（High Speed Ethernet），Profibus guoji(Profibus International,PI)的 ProfiNet、 ControlNet guoji（ControlNet International,CI）和開放設(shè)備網(wǎng)制造商協(xié)會（Open DeviceNet Vendor Association,ODVA）的Ethernet/IP，MODBUS用戶集團的MODBUS/TCP等等，但這些協(xié)議還主要應(yīng) 用于控制系統(tǒng)的中、上層設(shè)備間的通信。另外，據(jù)美國權(quán)威調(diào)查機構(gòu)ARC（Automation Research Company）報告指出，今后Ethernet不jin繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)通信市場，也bi將領(lǐng)導(dǎo)未來現(xiàn)場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。美國VDC（Venture Development Crop.）調(diào)查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣fan，市場占有率的增長也越來越快，將從2000年11%增加到2005年的23%。