以太网与现场总线技术 点击：14333 | 回复：61
发表于：2004-02-18 14:45:00
楼主
摘要：本文就以太网在自动化领域应用现状及前景、以太网与现场总线技术等热点问题，从技术比较出发，发表了个人看法。本文认为：以太网在工厂管理层、车间监控层将成为主流技术，与互连网技术结合是未来eManufactory技术基础; 在没有严格时间要求的设备层也将获得一定的发展；但对一般工业网络要求实时性、确定性通信场合，现场总线技术还将处于主导地位；我们必须学会面对一个多种网络技术并存的现实世界。
关键字：以太网、现场总线、自动化
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：
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
发表于：2003-01-07 10:28:00
13楼
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