工業(yè)以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)詳細解釋

隨著(zhù)“工業(yè)4.0”戰略的展開(kāi)，計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、IT技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)滲入到工控領(lǐng)域，其中最主要的表現就是工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其中工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，特別是以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用，為自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了深刻變革。

【現場(chǎng)總線(xiàn)】

現場(chǎng)總線(xiàn)式應用在生產(chǎn)現場(chǎng)、連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化測量控制系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )。

它是一種工業(yè)數據總線(xiàn)，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數據通信網(wǎng)絡(luò )。

【控制組成】

1.現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統

它的軟件是系統的重要組成部分，控制系統的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過(guò)組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò )運行過(guò)程中系統實(shí)時(shí)采集數據、進(jìn)行數據處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

2.現場(chǎng)總線(xiàn)的測量系統

其特點(diǎn)為多變量高性能的測量，使測量?jì)x表具有計算能力等更多功能，由于采用數字信號，具有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時(shí)還具有儀表設備的狀態(tài)信息，可以對處理過(guò)程進(jìn)行調整。

3.設備管理系統

可以提供設備自身及過(guò)程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息(包括智能儀表)、廠(chǎng)商提供的設備制造信息。

4.總線(xiàn)系統計算機服務(wù)模塊

以客戶(hù)機/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò )計算機服務(wù)模式。服務(wù)器表示數據源(提供者)，應用客戶(hù)機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，并進(jìn)一步進(jìn)行處理?？头繖C運行在PC機或工作站上。服務(wù)器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來(lái)完成任務(wù)。

5.數據庫

它能有組織的、動(dòng)態(tài)的存儲大量有關(guān)數據與應用程序，實(shí)現數據的充分共享、交叉訪(fǎng)問(wèn)，具有高度獨立性。工業(yè)設備在運行過(guò)程中參數連續變化，數據量大，操作與控制的實(shí)時(shí)性要求很高。因此就形成了一個(gè)可以互訪(fǎng)操作的分布關(guān)系及實(shí)時(shí)性的數據了系統。

6.網(wǎng)絡(luò )系統的硬件與軟件

網(wǎng)絡(luò )系統硬件：系統管理主機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線(xiàn)器、用戶(hù)計算機等底層智能化儀表

網(wǎng)絡(luò )系統軟件：NetWarc、LAN Mangger、Vines

服務(wù)器操作軟件：Lenix、os/2、windowNT、應用軟件數據庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議等。

【總線(xiàn)分類(lèi)】

目前世界上存在著(zhù)大約四十余種現場(chǎng)總線(xiàn)，這些現場(chǎng)總線(xiàn)大都用于過(guò)程自動(dòng)化、醫藥領(lǐng)域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，目前的工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可歸為三類(lèi)：485網(wǎng)絡(luò )、HART網(wǎng)絡(luò )、FieldBUS現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

485網(wǎng)絡(luò )：RS485/MODBUS是現在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式，其特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便，而且現在支持RS485的儀表又特別多?，F在的儀表商也紛紛轉而支持RS485/MODBUS，原因很簡(jiǎn)單， RS485的轉換接口不僅便宜得而且種類(lèi)繁多。至少在低端市場(chǎng)上，RS485/MODBUS仍將是最主要的工業(yè)組網(wǎng)方式。

HART網(wǎng)絡(luò )：HART是由艾默生提出的一個(gè)過(guò)度性總線(xiàn)標準，主要特征是在4-20毫安電流信號上面疊加數字信號，但該協(xié)議并未真正開(kāi)放，要加入他的基金會(huì )才能拿到協(xié)議，而加入基金會(huì )要一定的費用。HART技術(shù)主要被國外幾家大公司壟斷，近些年國內也有公司在做，但還沒(méi)有達到國外公司的水平?，F在有很多智能儀表帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國內情況來(lái)看，還沒(méi)有真正用到這部分功能來(lái)進(jìn)行設備聯(lián)網(wǎng)監控，最多只是利用手操器對其進(jìn)行參數設定。從長(cháng)遠來(lái)看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因，HART儀表的應用將呈下滑趨勢。

FieldBus現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )：現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現標志著(zhù)自動(dòng)化控制技術(shù)又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始?，F場(chǎng)總線(xiàn)是連接控制現場(chǎng)的儀表與控制室內的控制裝置的數字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò )。其關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節點(diǎn)、總線(xiàn)式的全數字化通信?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)近年來(lái)成為國際上自動(dòng)化和儀器儀表發(fā)展的熱點(diǎn)，它的出現使傳統的控制系統結構產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統朝著(zhù)“智能化、數字化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化、分散化”的方向進(jìn)一步邁進(jìn)，形成新型的網(wǎng)絡(luò )通信的全分布式控制系統——現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(Fieldbus Control System)。然而，到目前為止，現場(chǎng)總線(xiàn)還沒(méi)有形成真正統一的標準，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準并行存在，并且都有自己的生存空間。何時(shí)統一，遙遙無(wú)期。目前，支持現場(chǎng)總線(xiàn)的儀表種類(lèi)還比較少，可供選擇的余地小，價(jià)格又偏高，用量也較小。

【特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)】

1.特點(diǎn)

現場(chǎng)控制設備具有通信功能，便于構成工廠(chǎng)底層控制網(wǎng)絡(luò )。

通信標準的公開(kāi)、一致，使系統具備開(kāi)放性，設備間具有互可操作性。

功能塊與結構的規范化使相同功能的設備間具有互換性。

控制功能下放到現場(chǎng)，使控制系統結構具備高度的分散性。

2.優(yōu)點(diǎn)

現場(chǎng)總線(xiàn)使自控設備與系統步入信息網(wǎng)絡(luò )的行業(yè)，為其應用開(kāi)拓了更為廣闊的領(lǐng)域;

一堆雙絞線(xiàn)上可接掛多了控制設備，便于節省安裝費用;

節省維護開(kāi)銷(xiāo);

提高了系統的可靠性;

為用戶(hù)提供了更為靈活的系統集成主動(dòng)權。

3.缺點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò )通信中數據包的傳輸延遲，通信系統的瞬時(shí)錯誤和數據包丟失，發(fā)送與到達次序的不一致等都會(huì )破壞傳統控制系統原本具有的確定性，使得控制系統的分析與綜合變得更為復雜，使控制系統的性能受到負面影響。

【工業(yè)以太網(wǎng)】

工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設計上，在實(shí)時(shí)性、可靠性、環(huán)境適應性等方面滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要，是繼現場(chǎng)總線(xiàn)之后發(fā)展起來(lái)，最被認同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )。

工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)就是以太網(wǎng)技術(shù)辦公自動(dòng)化走向工業(yè)自動(dòng)化。

工業(yè)以太網(wǎng)與傳統以太網(wǎng)絡(luò )的比較

【操作要求】

1.工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣體的存在，要求工業(yè)級的產(chǎn)品具有氣候環(huán)境適應性，并要求耐腐蝕、防塵和防水。

2.工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需要采取防爆措施保證安全生產(chǎn)。

3.工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的振動(dòng)、電磁干擾大，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )必須具有機械環(huán)境適應性(如耐振動(dòng)、耐沖擊)、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性(EMC)等。

4.工業(yè)網(wǎng)絡(luò )器件的供電，通常是采用柜內低壓直流電源標準，大多的工業(yè)環(huán)境中控制柜內所需電源為低壓24V直流。

5.采用標準導軌安裝，安裝方便，適用于工業(yè)環(huán)境安裝的要求，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )器件要能方便地安裝在工業(yè)現場(chǎng)控制柜內，并容易更換。

【主要標準】

工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當的應用層和用戶(hù)層協(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)真正應用到控制層，延伸到現場(chǎng)層，而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效而又最新的成果，因此，工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)在工業(yè)中的應用全然不是同一個(gè)概念。

1.IDA的通信結構和通信協(xié)議

DA是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎上的工業(yè)以太網(wǎng)規范，將一種實(shí)時(shí)的基于WEB的分布自動(dòng)化環(huán)境與集中的安全體系結構加以結合，目標是創(chuàng )立一個(gè)基于TCP/IP的分散自動(dòng)化的解決方案。

2.Ethernet/IP的通信結構和通信協(xié)議

ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet，還控制另一個(gè)總線(xiàn)EtherNet/IP，它把處于應用層和用戶(hù)層的DeviceNet和ControlNet的目標庫CIP(包含了所有經(jīng)典的PLC運算)，與以太網(wǎng)物理介質(zhì)捆綁在一起。

3.PROFlnet的通信結構和通信協(xié)議

如圖，它的數據鏈路層采用了旨在減小處理通信棧所需時(shí)間的一種傳輸協(xié)議，從而極大地縮短了網(wǎng)絡(luò )的刷新時(shí)間，確保刷新時(shí)間在5~10MS。實(shí)時(shí)通道除了可進(jìn)行循環(huán)傳輸外，還可完成非循環(huán)(事件觸發(fā)、過(guò)程數據修改、操作指令下達等)傳輸。同時(shí)還要加入網(wǎng)絡(luò )管理、WEB功能，以及直接集成I/O設備等。

4.HSE的通信結構和通信協(xié)議

美國的FF(現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì ))采用高速以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的FCS系統控制級以上通信網(wǎng)絡(luò )的主干網(wǎng)，控制級以下仍使用H1現場(chǎng)總線(xiàn)，構成信息集成開(kāi)放的體系結構，HSE遵循標準的以太網(wǎng)規范。FF在去規范中規定了21中功能塊，供基本過(guò)程控制和先進(jìn)過(guò)程控制使用。這些標準功能塊駐留與HSE相連的現場(chǎng)設備中，只要通過(guò)組態(tài)就予以鏈接。為進(jìn)行復雜的批處理和混合控制等應用，FF還規定了柔性功能塊，支持數據采集的監控、子系統接口、事件順序、多路數據采集，并可用作與PLC和其他協(xié)議通信的網(wǎng)間連接器，所以我們可得出這樣一個(gè)結論：HSE工業(yè)以太網(wǎng)為連續的過(guò)程控制工業(yè)和斷續的制造業(yè)所需的連續實(shí)時(shí)控制提供了各種的解決方案，它為連續過(guò)程控制系統、斷續制造的控制系統、批量控制系統以及MES、ERP等企業(yè)信息管理系統的集成，提供了一種相當成熟的工業(yè)以太網(wǎng)的標準協(xié)議。

【應用于工業(yè)控制需要解決的問(wèn)題】

工業(yè)以太網(wǎng)，一般來(lái)講技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設計時(shí)，在實(shí)時(shí)性、可靠性、環(huán)境的適應性等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要，是一種典型的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )。與商用以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)在以下方面具有特殊要求：

1.要求有高實(shí)時(shí)性與良好的時(shí)間確定性

2.傳送信息多為短幀信息，且信息交換頻繁

3.容錯能力強，可靠性、安全性好

4.控制網(wǎng)絡(luò )結構具有高度分散性

5.控制網(wǎng)絡(luò )協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用，工作效率高

6.控制設備的智能化與控制功能的自治性

7.與信息網(wǎng)絡(luò )之間有高效率的通信，易于實(shí)現與信息網(wǎng)絡(luò )的集成

8.設備的可靠性與環(huán)境適應性

9.遠距離傳輸

10.總線(xiàn)供電

11.網(wǎng)絡(luò )安全性

12.互操作性

【優(yōu)勢】

1.應用廣泛

以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，收到廣泛的技術(shù)支持，最典型的的以太網(wǎng)應用形式如：Ethernet+TCP/IP+web。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持Ethernet的應用開(kāi)發(fā)。

2.成本低廉

由于以太網(wǎng)的應用最為廣泛，因此收到硬件開(kāi)發(fā)商與生產(chǎn)廠(chǎng)商的高度重視與廣泛支持，有很多硬件產(chǎn)品供用戶(hù)選擇， 而且由于應用廣泛，硬件價(jià)格也相對低廉。

3.通信速率高

目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)也開(kāi)始廣泛應用，1000M以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其通信速率比目前的現場(chǎng)總線(xiàn)快得多。

4.軟硬件資源豐富

以太網(wǎng)已應用多年，人們對以太網(wǎng)的設計、應用等多方面有很多的經(jīng)驗，對其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著(zhù)降低系統開(kāi)發(fā)和培訓費用，從而可以顯著(zhù)降低系統的整體成本，并大大加快系統開(kāi)發(fā)和推廣速度。

5.可持續發(fā)展能力強

由于以太網(wǎng)的廣泛應用，它的反戰一直得到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入，形成全球性的技術(shù)支持，并且在當前信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴(lài)于一個(gè)快速而有效的通信網(wǎng)絡(luò )管理，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續向前發(fā)展。

6.易于實(shí)現管控一體化

易于實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫集成，建立統一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )，可實(shí)現嵌入式控制器，智能現場(chǎng)測控儀表和傳感器等方便地接入以太網(wǎng)絡(luò )，直至與Internet相連。