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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

2004/5/28 0:00:00
前言: 以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)在IT行業(yè)獲得了很大的成功, 成為IT行業(yè)應(yīng)用中首選的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。近年來,由于國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作沒有達(dá)到人們理想中的結(jié)果,以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)逐步在自動(dòng)化行業(yè)中得到應(yīng)用,并發(fā)展成為一種技術(shù)潮流。 以太網(wǎng)在自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)該區(qū)分為兩個(gè)方面問題,或者說兩個(gè)層次的問題。一是工廠自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)結(jié)合,與互連網(wǎng)Internet技術(shù)結(jié)合,成為未來可能的制造業(yè)電子商務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)雛形。大多數(shù)專家們對(duì)自動(dòng)化技術(shù)這種發(fā)展趨勢(shì)給予肯定的評(píng)價(jià)。另一個(gè)方面,即以太網(wǎng)能否在工業(yè)過程控制底層,也就是設(shè)備層或稱為現(xiàn)場(chǎng)層廣泛應(yīng)用? 能否成為甚至取代現(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)?這些問題實(shí)為目前自動(dòng)化行業(yè)專家們爭(zhēng)論的熱點(diǎn)。本文將只就這一問題,從以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)比較出發(fā),談?wù)剛€(gè)人看法。 1.以太網(wǎng)指的是什么 什么是“以太網(wǎng)”?以及相關(guān)的IEEE 802.3及TCP/IP技術(shù)? 這對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程師可能是基本常識(shí),但我們自動(dòng)化技術(shù)工程師未必清楚。在討論以太網(wǎng)與自動(dòng)化技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之前,有必要先澄清一下這幾個(gè)基本術(shù)語(yǔ)的含義。筆者查閱了有關(guān)資料,現(xiàn)將有關(guān)“以太網(wǎng)”、IEEE 802.3及TCP/IP相關(guān)的技術(shù)背景摘要如下:    (1) 以太網(wǎng):  ►1975年: 美國(guó)施樂(Xerox)公司的Palo Alto研究中心研制成功[METC76],該網(wǎng)采用無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)幀,故以傳播電磁波的“以太(Ether)”命名。    ►1981年:美國(guó)施樂(Xerox)公司+數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司聯(lián)合推出以太網(wǎng)(EtherNet)規(guī)約[ETHE80]    ►1982年:修改為第二版,DIX Ethernet V2 因此:“以太網(wǎng)”應(yīng)該是特指“DIX Ethernet V2”所描述的技術(shù)?! ?   (2) IEEE802.3   ►80年代初期: 美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)IEEE 802委員會(huì)制定出局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu), 即IEEE 802參考模型.IEEE 802參考模型相當(dāng)于OSI模型的最低兩層:    ►1983年:IEEE 802 委員會(huì)以美國(guó)施樂(Xerox)公司+數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司提交的DIX Ethernet V2為基礎(chǔ),推出了IEEE802.3    ►IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè))的網(wǎng)絡(luò)。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒體接入控制技術(shù),或稱介質(zhì)訪問控制技術(shù)。    因此: IEEE802.3 以“以太網(wǎng)”為技術(shù)原形,本質(zhì)特點(diǎn)是采用CSMA/CD 的介質(zhì)訪問控制技術(shù)?!耙蕴W(wǎng)”與IEEE802.3略有區(qū)別。但在忽略網(wǎng)絡(luò)協(xié)議細(xì)節(jié)時(shí), 人們習(xí)慣將IEEE802.3稱為”以太網(wǎng)”。       與IEEE 802 有關(guān)的其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:  I IEEE 802.1—概述、體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互連,以及網(wǎng)絡(luò)管理和性能測(cè)量。 IEEE 802.2—邏輯鏈路控制LLC。最高層協(xié)議與任何一種局域網(wǎng)MAC子層的接口。   IEEE 802.3—CSMA/CD網(wǎng)絡(luò),定義CSMA/CD總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?! ?IEEE 802.4—令牌總線網(wǎng)。定義令牌傳遞總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范。 IEEE 802.5—令牌環(huán)形網(wǎng)。定義令牌傳遞環(huán)形網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?! ?IEEE 802.6—城域網(wǎng)?! ?IEEE 802.7—寬帶技術(shù)?! ?IEEE 802.8—光纖技術(shù)?! ?IEEE 802.9—綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)?! ?IEEE 802.10—可互操作的局域網(wǎng)的安全?! ?IEEE 802.11—無線局域網(wǎng)?! ?IEEE 802.12—優(yōu)先高速局域網(wǎng)(100Mb/s)。   IEEE 802.13—有線電視(Cable-TV)       (3) TCP/IP協(xié)議   ►TCP/IP是多臺(tái)相同或不同類型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換的一套通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議組的準(zhǔn)確名稱應(yīng)該是internet協(xié)議族,TCP和IP是其中兩個(gè)協(xié)議。而internet協(xié)議族TCP/IP還包含了與這兩個(gè)協(xié)議有關(guān)的其它協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,如用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)、地址轉(zhuǎn)化協(xié)議(ARP)和互連網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)。由于TCP/IP是internet采用的協(xié)議組,所以將TCP/IP體系結(jié)構(gòu)稱作internet體系結(jié)構(gòu)。    ►以太網(wǎng)是TCP/IP使用最普遍的物理網(wǎng)絡(luò),實(shí)際上TCP/IP技術(shù)支持各種局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,包括:令牌總線、令牌環(huán)、FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)、SLIP(串行線路IP)、PPP(點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議)、X2.5數(shù)據(jù)網(wǎng)等。見圖1:TCP/IP技術(shù)支持的各種局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議    由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的協(xié)議組,而TCP/IP底層物理網(wǎng)絡(luò)多數(shù)使用以太網(wǎng)協(xié)議,因此,以太網(wǎng)+TCP/IP成為IT行業(yè)中應(yīng)用最普遍的技術(shù)。    本文主題中所提到的“以太網(wǎng)”,按習(xí)慣主要指IEEE 802.3協(xié)議,如果進(jìn)一步采用TCP/IP協(xié)議族,則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示。       2.以太網(wǎng)為什么會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化行業(yè) 以太網(wǎng)+TCP/IP作為辦公網(wǎng)、商務(wù)網(wǎng)在IT行業(yè)中獨(dú)霸天下,其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)。但為什么近年來會(huì)逐步向自動(dòng)化行業(yè)發(fā)展,形成與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的局面?回顧近年來自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展, 可以了解到其中的原委。   (1)自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動(dòng)化FA,發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化 近年來,自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展使人們認(rèn)識(shí)到,單純提高生產(chǎn)設(shè)備單機(jī)自動(dòng)化水平,并不一定能給整個(gè)企業(yè)帶來好的效益;因此,企業(yè)給自動(dòng)化技術(shù)提出的進(jìn)一步要求是:將整個(gè)工廠作為一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益。因此,有了現(xiàn)代制造自動(dòng)化模型,見圖2。所以說自動(dòng)化技術(shù)由單機(jī)自動(dòng)化發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化。    <現(xiàn)代制造自動(dòng)化模>   自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制向工廠自動(dòng)化FA、系統(tǒng)自動(dòng)化方向發(fā)展。制造業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出了數(shù)字化通信及信息集成的技術(shù)的要求;即要求應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠信息縱向的透明通信。    (2)工廠底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成、車間底層數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是信息集成系統(tǒng)的基礎(chǔ) 為滿足工廠上層管理對(duì)底層設(shè)備信息的要求, 工廠車間底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成是實(shí)現(xiàn)全廠FA/CIMS的基礎(chǔ)。見圖3: 工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu):工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí) <工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu):工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí) >    (3) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生   現(xiàn)場(chǎng)總線(FieldBus)是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò),是計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用,為車間底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術(shù)平臺(tái).圖4是工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信,即從管理層到自動(dòng)化底層的數(shù)據(jù)存取. <工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信>    (4) 現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一ROFIBUS技術(shù)   ROFIBUS技術(shù)是1987年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā);1989年批準(zhǔn)為德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245(PROFINUS-FMS/-DP);1996年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP);1999年P(guān)ROFIBUS成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分(Type III).    PROFIBUS技術(shù)為設(shè)備層提供了PROFIBUS-DP和-PA技術(shù),為車間層提供了PROFIBUS-FMS技術(shù),見圖5?! ?►PROFIBUS-DP是設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線, 用于控制器(如PLC、PC、NC)與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備(如驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)設(shè)備、HMI等)之間的通信總線;    ►設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有高速(12M)、實(shí)時(shí)、確定、可靠特點(diǎn)(如-DPV2可用于運(yùn)動(dòng)控制),傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)較小。    ►PROFIBUS-PA也是設(shè)備層總線,具有IEC61158-2的物理層,可實(shí)現(xiàn)總線供電,并有本質(zhì)安全技術(shù)。    ►PROFIBUS-FMS車間級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線,主要用于車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控。主要完成車間生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)過程監(jiān)控、車間級(jí)生產(chǎn)管理、車間底層設(shè)備及生產(chǎn)信息集成。車間級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線具有傳輸數(shù)據(jù)量大、應(yīng)用層信息規(guī)范完整等特點(diǎn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高。       (5)國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61158   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<
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