Ethernet與現(xiàn)場總線器

1 引 言

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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)組織生產(chǎn)，把市場、生產(chǎn)計(jì)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(jì)算機(jī)、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)來實(shí)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(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，必須要將企業(yè)內(nèi)現(xiàn)場控制、過程監(jiān)控、經(jīng)營管理、市場管理等各層次智能設(shè)備互聯(lián)成綜合自動化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各層次的住處匯通和數(shù)據(jù)共享，即實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的“管控一體化”。

為此，企業(yè)首先必須對各種企業(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，最大限度地發(fā)揮其能力;其次，必須形成市場、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，最上層的企業(yè)管理層網(wǎng)絡(luò)，主要用于企業(yè)的計(jì)劃、銷售、庫存、財(cái)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(jì)算機(jī)程序等方式進(jìn)行信息的交換，數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)的、無規(guī)則的，因?yàn)橐缶W(wǎng)絡(luò)必須具有較大的帶寬。管理層網(wǎng)絡(luò)主要由快速Ethernet(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，其特點(diǎn)是信息傳輸具有一定的周期性和實(shí)時(shí)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，以前由專用網(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。

而最底層的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，與變送器、執(zhí)行機(jī)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)的郵電通信技術(shù)以及其它信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，具有一些特殊性。由于工業(yè)自動控制網(wǎng)絡(luò)通信的最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(yùn)動和轉(zhuǎn)換，因此這種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有以下特殊性：

① 數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性：通常,制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求在0.01—0.5s,過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.5—2S。而信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間則是2—6S。顯然，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求高得多。

② 高可靠性：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)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)，必須解決環(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(要耐溫、防水、防塵)、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性(要耐沖擊、耐振動)。在易爆或可燃的場合，它應(yīng)具有本質(zhì)安全的性能。

③ 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(qiáng)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(zhǔn)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)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時(shí)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(shí)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(yùn)行參數(shù)的測量值、控制量、開關(guān)與閥門的工作位置、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位(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蟛桓摺?/p>

正是由于以上特點(diǎn)和特殊性，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，按照國際電工委員會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(diǎn)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)。

現(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)首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、智能儀表、具有通信功能的智能儀表、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(jìn)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。其后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微處理器在儀器儀表中得到了廣泛應(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(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，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，這種智能儀表相對于全模擬儀表來講，測量精度得到大大提高，但信號傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾，傳輸精度和可靠性都不高。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。但由于這些通信標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了物理層上的電氣特性，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)一定義，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(shí)現(xiàn)相互之間的信息互訪。為解決這個問題，必須使這些網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jì)80年代開始，各種現(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，國際電工委員會IEC在1984年就開始籌備制定單一現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。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(tuán)受自身利益的驅(qū)使，圍繞著現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一場大戰(zhàn)，最后經(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(shí)現(xiàn)制定單一標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。這個結(jié)局表明，在今后相當(dāng)長一段時(shí)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。無論是最終用戶還是制造商，普遍都在關(guān)注現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展新動向，都有在尋求高性能低成本的解決方案。

在各種現(xiàn)場總線的競爭中，以Ethernet為代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技術(shù)正成為現(xiàn)場總線發(fā)展中新的亮點(diǎn)。

3、為什么以前不用Ethernet作現(xiàn)場總線?

Ethernet(Ethernet)最初是在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(jì)算機(jī)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(zhǔn)，它和1985年發(fā)布的ISO8802.3標(biāo)準(zhǔn)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)的重要特點(diǎn)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(diǎn)訪問)是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(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(shí)繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò);如果兩個或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將發(fā)生碰撞，同時(shí)節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長度的進(jìn)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(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，Ethernet上存在的這種碰撞成了主在的問題，因?yàn)樗鼧O大地影響了Ethernet的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時(shí)，并導(dǎo)致Ethernet實(shí)際性能的下降。由于在一系列碰撞后，報(bào)文可能會丟失，因此節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障。Ethernet的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機(jī)制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)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)鹣到y(tǒng)振蕩;在有緊急事件信息需要發(fā)送時(shí)，還會因報(bào)警信息不能及時(shí)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)場智能設(shè)備的核心組成部分—微處理器，在20世紀(jì)80年代時(shí)還處于初期發(fā)展階段，功能簡單，數(shù)字處理力不強(qiáng)，不能處理Ethernet上“捆綁”使用的TCP/IP協(xié)議。

4、Ethernet正逐漸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域

盡管Ethernet是一種隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)，但由于其技術(shù)比較簡單、完全公開，能很快被大家接受，通過不斷改進(jìn)、提升，市場占有率(特別是辦公自動化OA領(lǐng)域的市場占有率)越來越大，而成本卻越來越低，進(jìn)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(bào)告，如今已有約93%以上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有Ethernet接口。