以太网与现场总线技术

前言: 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internet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体系结构。 　　 ►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。 　　 <现代制造自动化模>　　 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 <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 > 　　 (3) 现场总线技术的产生　　 现场总线(FieldBus)是工厂底层设备之间的通信网络，是计算机数字通信技术在自动化领域的应用,为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台.图4是工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成的透明通信,即从管理层到自动化底层的数据存取. <工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成的透明通信> 　　 (4) 现场总线国际标准之一ROFIBUS技术　　 ROFIBUS技术是1987年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年批准为德国工业标准DIN 19245（PROFINUS-FMS/-DP）；1996年批准为欧洲标准EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；1999年PROFIBUS成为国际标准 IEC 61158 的组成部分(Type III). 　　 PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP和-PA技术，为车间层提供了PROFIBUS-FMS技术,见图5。　　 ►PROFIBUS-DP是设备层现场总线, 用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场控制设备（如驱动器、检测设备、HMI等）之间的通信总线； 　　 ►设备层现场总线技术具有高速（12M）、实时、确定、可靠特点（如-DPV2可用于运动控制），传输的数据量相对较小。 　　 ►PROFIBUS-PA也是设备层总线，具有IEC61158-2的物理层，可实现总线供电，并有本质安全技术。 　　 ►PROFIBUS-FMS车间级现场总线，主要用于车间级设备监控。主要完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点，对网络实时性要求不高。 　　 　　 （5）国际现场总线技术标准IEC61158　　 根据现场总线技术概念，面对自动化行业千变万化的现场仪表设备，要实现不同厂家不同种类产品的互连，现场总线技术标准化工作至关重要。为此， 国际IEC委员会于1984年提出制定现场总线技术标准IEC1158（即IEC61158）。 　　 A． IEC 61158目标：IEC1158的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准。为此，根据不同行业对自动化技术的需求不同，将自动化技术分为五个不同的行业；见图6：IEC1158的目标。IEC61158是要制定出一部满足工业自动化五大行业不同应用需求的现场总线技术标准。 　　 　　 B．妥协的结果　　 经过十几年的努力，1998年，对IEC 61158 （TS）进行投票。由于IEC 61158 （TS）只包含了Process Control部分，因此，IEC 61158 （TS）没有通过投票，自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败。1999年12月，IEC61158放弃了原有设想，通过妥协方案，即： 以IEC 61158 （TS）+ Add.Protocols作为IEC61158技术标准的方案；其中Add.Protocols包含Control Net、PROFIBUS、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP和Interbus总线。　　 自动化行业将面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。 　　 C．IEC 61158发展历程给我们的启示　　 面对当今以太网在自动化领域的应用潮流，IEC 61158发展历程至少给了我们两点启示，这对我们能够清醒面对现实颇有好处：I、工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。II、技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。 　　 （6）以太网进入自动化领域　　 IEC61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败，使一部分人自然转向了在IT行业已经获得成功的以太网技术。因此，现场总线标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。积极推进这种技术概念的<