工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)詳細(xì)解釋

隨著“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的展開，計算機(jī)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(xiàn)就是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其中工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，特別是以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用，為自動化技術(shù)帶來了深刻變革。

【現(xiàn)場總線】

現(xiàn)場總線式應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化測量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。

它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

【控制組成】

1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護(hù)軟件、仿真軟件、設(shè)備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機(jī)接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)運行過程中系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等。

2.現(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)

其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具有高分辨率，準(zhǔn)確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進(jìn)行調(diào)整。

3.設(shè)備管理系統(tǒng)

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

4.總線系統(tǒng)計算機(jī)服務(wù)模塊

以客戶機(jī)/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)服務(wù)模式。服務(wù)器表示數(shù)據(jù)源(提供者)，應(yīng)用客戶機(jī)則表示數(shù)據(jù)使用者，它從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步進(jìn)行處理?？头繖C(jī)運行在PC機(jī)或工作站上。服務(wù)器運行在小型機(jī)或大型機(jī)上，它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來完成任務(wù)。

5.數(shù)據(jù)庫

它能有組織的、動態(tài)的存儲大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業(yè)設(shè)備在運行過程中參數(shù)連續(xù)變化，數(shù)據(jù)量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關(guān)系及實時性的數(shù)據(jù)了系統(tǒng)。

6.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件：系統(tǒng)管理主機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線器、用戶計算機(jī)等底層智能化儀表

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

服務(wù)器操作軟件：Lenix、os/2、windowNT、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等。

【總線分類】

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，目前的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)可歸為三類：485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)、FieldBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

485網(wǎng)絡(luò)：RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式，其特點是實施簡單方便，而且現(xiàn)在支持RS485的儀表又特別多?，F(xiàn)在的儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持RS485/MODBUS，原因很簡單， RS485的轉(zhuǎn)換接口不僅便宜得而且種類繁多。至少在低端市場上，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過度性總線標(biāo)準(zhǔn)，主要特征是在4-20毫安電流信號上面疊加數(shù)字信號，但該協(xié)議并未真正開放，要加入他的基金會才能拿到協(xié)議，而加入基金會要一定的費用。HART技術(shù)主要被國外幾家大公司壟斷，近些年國內(nèi)也有公司在做，但還沒有達(dá)到國外公司的水平?，F(xiàn)在有很多智能儀表帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國內(nèi)情況來看，還沒有真正用到這部分功能來進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，最多只是利用手操器對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。從長遠(yuǎn)來看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因，HART儀表的應(yīng)用將呈下滑趨勢。

FieldBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著自動化控制技術(shù)又一個新時代的開始?，F(xiàn)場總線是連接控制現(xiàn)場的儀表與控制室內(nèi)的控制裝置的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字化通信?，F(xiàn)場總線技術(shù)近年來成為國際上自動化和儀器儀表發(fā)展的熱點，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)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(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)。然而，到目前為止，現(xiàn)場總線還沒有形成真正統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標(biāo)準(zhǔn)并行存在，并且都有自己的生存空間。何時統(tǒng)一，遙遙無期。目前，支持現(xiàn)場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的余地小，價格又偏高，用量也較小。

【特點優(yōu)缺點】

1.特點

現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。

通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。

功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。

控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。

2.優(yōu)點

現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入信息網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)，為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域;

一堆雙絞線上可接掛多了控制設(shè)備，便于節(jié)省安裝費用;

節(jié)省維護(hù)開銷;

提高了系統(tǒng)的可靠性;

為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。

3.缺點

網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數(shù)據(jù)包丟失，發(fā)送與到達(dá)次序的不一致等都會破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更為復(fù)雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負(fù)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(shè)計上，在實時性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來，最被認(rèn)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)辦公自動化走向工業(yè)自動化。

工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)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(yīng)性，并要求耐腐蝕、防塵和防水。

2.工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵、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(xiàn)場的振動、電磁干擾大，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須具有機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性(如耐振動、耐沖擊)、電磁環(huán)境適應(yīng)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(nèi)低壓直流電源標(biāo)準(zhǔn)，大多的工業(yè)環(huán)境中控制柜內(nèi)所需電源為低壓24V直流。

5.采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(xiàn)場控制柜內(nèi)，并容易更換。

【主要標(biāo)準(zhǔn)】

工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層和用戶層協(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)真正應(yīng)用到控制層，延伸到現(xiàn)場層，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(yīng)用全然不是同一個概念。

1.IDA的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

DA是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，將一種實時的基于WEB的分布自動化環(huán)境與集中的安全體系結(jié)構(gòu)加以結(jié)合，目標(biāo)是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案。

2.Ethernet/IP的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet，還控制另一個總線EtherNet/IP，它把處于應(yīng)用層和用戶層的DeviceNet和ControlNet的目標(biāo)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(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

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

4.HSE的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

美國的FF(現(xiàn)場總線基金會)采用高速以太網(wǎng)開發(fā)的FCS系統(tǒng)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(xiàn)場總線，構(gòu)成信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)，HSE遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范。FF在去規(guī)范中規(guī)定了21中功能塊，供基本過程控制和先進(jìn)過程控制使用。這些標(biāo)準(zhǔn)功能塊駐留與HSE相連的現(xiàn)場設(shè)備中，只要通過組態(tài)就予以鏈接。為進(jìn)行復(fù)雜的批處理和混合控制等應(yīng)用，F(xiàn)F還規(guī)定了柔性功能塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的監(jiān)控、子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數(shù)據(jù)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結(jié)論：HSE工業(yè)以太網(wǎng)為連續(xù)的過程控制工業(yè)和斷續(xù)的制造業(yè)所需的連續(xù)實時控制提供了各種的解決方案，它為連續(xù)過程控制系統(tǒng)、斷續(xù)制造的控制系統(tǒng)、批量控制系統(tǒng)以及MES、ERP等企業(yè)信息管理系統(tǒng)的集成，提供了一種相當(dāng)成熟的工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

【應(yīng)用于工業(yè)控制需要解決的問題】

工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在實時性、可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，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.要求有高實時性與良好的時間確定性

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(jié)構(gòu)具有高度分散性

5.控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單實用，工作效率高

6.控制設(shè)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，易于實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成

8.設(shè)備的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性

9.遠(yuǎn)距離傳輸

10.總線供電

11.網(wǎng)絡(luò)安全性

12.互操作性

【優(yōu)勢】

1.應(yīng)用廣泛

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)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(yīng)用形式如：Ethernet+TCP/IP+web。幾乎所有的編程語言都支持Ethernet的應(yīng)用開發(fā)。

2.成本低廉

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

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)也開始廣泛應(yīng)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(xiàn)場總線快得多。

4.軟硬件資源豐富

以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)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(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)開發(fā)和培訓(xùn)費用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)開發(fā)和推廣速度。

5.可持續(xù)發(fā)展能力強

由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，它的反戰(zhàn)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(dāng)前信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個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(xù)向前發(fā)展。

6.易于實現(xiàn)管控一體化

易于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，建立統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)嵌入式控制器，智能現(xiàn)場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。