Ethernet与现场总线

Ethernet与现场总线引言随着以知识经济为特征的信息时代的到来和现代工业文明的发展，企业综合自动化在现代工业大生产中的作用也越来越重要，它把工厂内各个孤立的局部自动化子系统在新的管理模式与工艺指导下，综合运用信息技术、自动化技术、计算机网络及其支持软件技术等有机地结合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物质流、管理过程的信息流、决策过程的决策流进行有效的控制和协调，以适应新的竞争形势下市场对生产管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。

工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管理层、监控层和现场设备层。

如图1所示。

其中，最上层的企业管理层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。

管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络必须具有较大的带宽。

管理层层网络主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）组成。

中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，如今这一层网络则主要由传输速率较高的网段（如10M、100M Ethernet 等）组成。

而最底层的现场设备层网络则主要用于变送器、执行机构等现场设备之间、以及现场设备与控制室仪表之间的信息传输。

它具有以下特点：（1）传输的信息长度较小。

这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。

其长度一般都比较小，通常仅为几位（bit）或几个、十几、几十个字节（byte），对网络传输的吞吐量要求不高。

（2）通信响应实时性要求较高。

工业控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，所以必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。

它包括两方面的要求，一是传输速度要快，即网络通信速率要高，二是响应时间要短，响应时间可由4个方面决定：仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。

由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。

另外，通信响应实时性还与系统的巡回时间有关，通常最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。

（3）较强的可靠性与安全性。

对于工作在环境恶劣的工业生产现场的通信网络，必须解决环境适应性问题，它包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。

而安全性要求则是指网络传输媒体上所传输的能量要小，在正常工作或出现故障时，均不致引发灾难事故。

（4）总线供电，即工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。

这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。

正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络组成。

1.现场总线的产生回顾所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。

以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（FCS）。

现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。

首先，现场总线的产生反映了仪器仪表发展的需要。

仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。

其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过V/I电路转换，输出4~20mA或0~5V的模拟信号，（如图2a所示）。

其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、A/D采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过D/A、V/I等电路，仍然以4~20mA或0~5V的模拟信号输出（如图2b所示），这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。

于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口（如RS232/485等），以数字通信的方式代替模拟信号传输（如图2c所示）。

但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各通信层次，则没有统一定义，致使不同仪表所使用的通信协议可能各不相同，不同生产厂家生产的仪器仪表也会由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的通信，并严重束缚了工厂底层网络的发展。

为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。

其次，现场总线的产生反映了企业综合自动化、信息化要求。

为了适应越来越激烈的市场竞争需要，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）。

它采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息集成，并进一步优化生产与操作，增加产量，提高产品质量，降低成本。

因而信息技术成为工业生产制造过程的重要因素，必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。

因此，从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network ）、过程现场总线PROFIBUS（Process FieldBus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)以及DeviceNet、ControlNet、P-NET，等等。

面对如此之多的现场总线，用户如何选择？为解决这个问题，国际电工委员会IEC在1984年就开始筹备制定单一现场总线国际标准。

然而，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，围绕着现场总线技术的标准进行了一场大战，最后经过多方妥协，于1999年年底通过了包含FF、Profibus、DeviceNet、P-NET、Interbus等八种总线在内的IEC61158，而没有实现制定单一标准的目标。

许多人也因此对制定单一国际现场总线标准已失去信心，致使2000年之后的标准混战明显降温。

这个结局也在向世人表明，在相当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临困难的复杂局面。

无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展新动向，都有在寻求高性能低成本的解决方案。

与此同时，人们也纷纷发现，在现场总线标准制定过程中，过多强调了现场总线的特殊性，而忽视了与信息网络技术（如Ethernet技术）的结合。

2.为什么以前不用Ethernet作现场总线？Ethernet最初是在1973年由Dr Robert Metcacfe 领导的小组在Xerox Palo Alto Research Park研制出来的，应用于微型计算机系统商业网络终端。

后几经修改，1983年出版了的IEEE802.3标准，它和1985年发布的ISO8802.3标准是相同的。

Ethernet采用星型或总线型结构，传输速率为10M、100M、1000M甚至更高，传输介质为屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆等。

Ethernet区别于其他网络（如令牌网、令牌环网、主从式网络等）的重要特点是，它采用的介质访问控制方法——CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，冲突检测载波监听多点访问)是一种非确定性或随机性通信方式。

其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。

16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。

在网络负荷较高时，Ethernet上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极大地影响了Ethernet的数据吞吐量和传输延时，并导致Ethernet实际性能的下降。

由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。

Ethernet的这种CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。

而对于工业现场控制网络，Ethernet的这种通信“不确定性”会导致通信延迟的“不确定性”，并导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生，并成了它应用于工业控制网络的主要障碍。

Ethernet没有用于现场总线的另外一个重要原因是，作为工业现场智能设备的核心组成部分——微处理器，在20世纪80年代时还处于初期发展阶段，功能简单，数字处理能力不强，不能处理Ethernet上“捆绑”使用的TCP/IP协议。

3.Ethernet正逐渐进入工业控制领域尽管Ethernet是一种随机性网络，但由于其技术比较简单、完全公开，能很快被大家接受，通过不断改进、提升，市场占有率（特别是办公自动化OA领域的市场占有率）越来越大，而成本却越来越低，进而变成主流，即使IBM力推Token Ring（令牌环网）架构也已难挡此潮流。

据VDC调查报告，如今已有约93%以上的网络节点具有Ethernet接口。

那么，Ethernet能不能应用于工业控制领域呢？我们知道，令牌总线控制方式在工业控制领域应用得较多，其特点是，网络上各工作站对总线的控制权是由令牌来控制的。

收到令牌的节点在一段规定时间内拥有网络传输介质的控制访问权，并向网络上发送一帧或多帧信息，当该站传输已经完成或它占用网络的规定时间到时，它就将令牌传递到下一逻辑站。

因此，传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。