以太网和现场总线基础知识

以太网和现场总线基础知识

以太网及tcp/ip通信技术在it行业获得了很大的成功, 成为it行业应用中首选的网络通信技术。近年来，由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果，以太网及tcp/ip技术逐步在自动化行业中得到应用，并发展成为一种技术潮流。

以太网在自动化行业中的应用应该区分为两个方面问题，或者说两个层次的问题。一是工厂自动化技术与it技术结合，与互连网internet技术结合，成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定的评价。另一个方面，即以太网能否在工业过程控制底层，也就是设备层或称为现场层广泛应用？能否成为甚至取代现有的现场总线技术成

为统一的工业网络标准？这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点。本文将只就这一问题,从以太网与现场总线的技术比较出发,谈谈个人看法。

1．以太网指的是什么

什么是“以太网”？以及相关的ieee 802.3及tcp/ip技术? 这对计算机网络工程师可能是基本常识，但我们自动化技术工程师未必清楚。在讨论以太网与自动化技术及现场总线技术之前,有必要先澄清一下这几个基本术语的含义。笔者查阅了有关资料，现将有关“以太网”、ieee 802.3及tcp/ip相关的技术背景摘要如下:

(1) 以太网:

►1975年: 美国施乐(xerox)公司的palo alto研究中心研制成功[metc76]，该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的“以太(ether)”命名。

►1981年：美国施乐(xerox)公司+数字装备公司(digital)+英特尔(intel)公司联合推出以太网(ethernet)规约[ethe80]

►1982年：修改为第二版，dix ethernet v2

因此：“以太网”应该是特指“dix ethernet v2”所描述的技术。

(2) ieee802.3

►80年代初期: 美国电气和电子工程师学会ieee 802委员会制定出局域网体系结构, 即ieee 802参考模型.ieee 802参考模型相当于osi模型的最低两层:

►1983年：ieee 802 委员会以美国施乐(xerox)公司+数字装备公司(digital)+英

特尔(intel)公司提交的dix ethernet v2为基础，推出了ieee802.3

►ieee802.3又叫做具有csma/cd(载波监听多路访问/冲突检测)的网络。csma/cd 是ieee802.3采用的媒体接入控制技术，或称介质访问控制技术。

因此: ieee802.3 以“以太网”为技术原形，本质特点是采用csma/cd 的介质访问控制技术。“以太网”与ieee802.3略有区别。但在忽略网络协议细节时, 人们习惯将ieee802.3称为”以太网”。

与ieee 802 有关的其它网络协议：i

ieee 802.1—概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。

ieee 802.2—逻辑链路控制llc。最高层协议与任何一种局域网mac子层的接口。ieee 802.3—csma/cd网络，定义csma/cd总线网的mac子层和物理层的规范。

ieee 802.4—令牌总线网。定义令牌传递总线网的mac子层和物理层的规范。ieee 802.5—令牌环形网。定义令牌传递环形网的mac子层和物理层的规范。

ieee 802.6—城域网。

ieee 802.7—宽带技术。

ieee 802.8—光纤技术。

ieee 802.9—综合话音数据局域网。

ieee 802.10—可互操作的局域网的安全。

ieee 802.11—无线局域网。

ieee 802.12—优先高速局域网(100mb/s)。

ieee 802.13—有线电视(cable-tv)

(3) tcp/ip协议

►tcp/ip是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。tcp/ip协议组的准确名称应该是internet协议族，tcp和ip是其中两个协议。而intern et协议族tcp/ip还包含了与这两个协议有关的其它协议及网络应用，如用户数据报协议（udp）、地址转化协议（arp）和互连网控制报文协议（icmp）。由于tcp/ip是internet采用的协议组，所以将tcp/ip体系结构称作internet体系

►以太网是tcp/ip使用最普遍的物理网络，实际上tcp/ip技术支持各种局域网络协议，包括：令牌总线、令牌环、fddi（光纤分布式数据接口）、slip（串行线

路ip）、ppp（点到点协议）、x2.5数据网等。见图1：tcp/ip技术支持的各种

局域网络协议

由于tcp/ip是世界上最大的internet采用的协议组，而tcp/ip底层物理网络多数使用以太网协议，因此，以太网+tcp/ip成为it行业中应用最普遍的技术。

本文主题中所提到的“以太网”，按习惯主要指ieee 802.3协议，如果进一步采用tcp/ip协议族，则采用“以太网+tcp/ip”来表示。

2．以太网为什么会进入自动化行业

以太网+tcp/ip作为办公网、商务网在it行业中独霸天下，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。但为什么近年来会逐步向自动化行业发展，形成与现

场总线技术竞争的局面？回顾近年来自动化技术的发展, 可以了解到其中的原委。

（1）自动化技术从单机控制发展到工厂自动化fa，发展到系统自动化

近年来，自动化技术发展使人们认识到，单纯提高生产设备单机自动化水平，并

不一定能给整个企业带来好的效益；因此，企业给自动化技术提出的进一步要求是：将整个工厂作为一个系统实现其自动化，目标是实现企业的最佳经济效益。

因此，有了现代制造自动化模型，见图2。所以说自动化技术由单机自动化发展

到系统自动化。

自动化技术从单机控制向工厂自动化fa、系统自动化方向发展。制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成的技术的要求;即要求应用数字通信技术实现

工厂信息纵向的透明通信。

（2）工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络是信息集成系统的基础

为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求, 工厂车间底层设备状态及生产信息

集成是实现全厂fa/cims的基础。见图3: 工厂自动化信息网络分层结构：工厂

管理级、车间监控级、现场设备级