以太网与现场总线技术
| 58 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如法国施耐德公司，面向工厂自动化提出了基于以太网+TCP/IP的解决方案，称之为“透明工厂”。望文生义可以理解为：“协议规范统一，信息透明存取”。 施耐德公司是将以太网技术引入工厂设备底层，广泛取代现有现场总线技术的积极倡导者和实践者，已有一批工业级产品问世和实际应用。 3． 太网在自动化领域应用现状 目前，以太网工业在自动化领域已有不少成功应用实例，主要集中在以下几个方面： （1） 车间级生产信息集成：主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、PC机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。管理层信息网络：即支撑工厂管理层MIS系统的计算机网络。主要完成如ERP的信息系统。SCADA系统：特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术的SCADA系统，如城市供水或污水管网的SCADA系统、水利水文信息监测SCADA系统等。个别的控制系统网络：个别要求高可靠性和一定实时性的分布式控制系统也有采用以太网+TCP/IP技术，并获得很好的效果；如水电厂的计算机监控系统。 既然以太网已成功的应用于工业自动化诸多方面，既然IEC61158没有给出一个统一的现场总线技术标准，为什么不能将以太网技术引入工业过程控制底层，即设备层，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？这就回到了本文开篇的话题。在这个问题上，除去各公司利益代言人从公司市场利益出发的商业宣传不算，就是自动化行业专家们也是智者见智，仁者见仁，看法不尽相同。笔者从事现场总技术研发工作，习惯从技术方面将以太网与现场总线技术进行比较，从而得出几点看法。 4. 以太网与现场总线技术的比较 （1） 物理层 现场总线 A. 传输介质：多数采用屏蔽双绞电缆（RS-485）、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。 B. 插件：各种防护等级工业级的接插件。 C． 线供电及本质安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。 D. 编码：异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。 E. 传输速率：9.6k～12M 以太网 A. 传输介质：UTP3类线、UTP5类线、 屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输的解决方案。 B. 插件：RJ45、AUI、BNC C. 总线供电及本质安全：无。 D. 编码：同步、曼彻斯特编码。 E. 传输速率：10M、100M （ （2） 介质访问控制方式 现场总线： 现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的；实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。 目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者/客户（producer/consumer） 以太网 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）是以太网（或IEEE802.3）采用的介质访问控制方式，如果不是这样就不是以太网（或IEEE802.3）；比如采用令牌调度方式，应是基于IEEE 802.4令牌总线网。 根据CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机理，它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网与CSMA/CD具有对等的技术内涵，可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性和确定性网络。 （3）传输效率：不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中，除了有效传输数据之外，还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映的网络有效数据传输的效率，或者说反映一次有效数据传输的代价。 传输效率=有效数据长/[全部附加字段长+有效数据长] 以太网全部附加字段长=26字节最大有效数据长=1500字节最小有效数据长=1字节（小于46时填0）最大传输效率=1500/（1500+26）=98.3%最小传输效率=1/（1+26+45）=1.39% 现场总线PROFIBUS全部附加字段长=11字节最大有效数据长=244字节最小有效数据长=1字节最大传输效率=244/（244+11）=95.69%最小传输效率=1/（1+11）=8.33% 工业网典型传输数据量（字节） 传输效率 工业网典型传输数据量（字节） 传输效率 8 11.11% 8 42.11% 16 22.22% 16 59.26% 24 33.33% 24 68.57% 32 44.44% 32 74.42% 40 55.55/5 40 78.43% 48 64.86% 48 81.36% 56 68.29% 56 83.58% 64 71.11% 64 85.33% 128 83.11% 128 92.09% （4） 现场设备信息规范及功能规范 现场设备信息格式及功能描述规范称为”行规”（Profile）, 行规可有效实现各种现场设备应用层互联。 例：PROFIBUS行规： ▼NC/RC行规 （机器人、数控行规） ▼各种速度驱动器的行规 ▼操作员控制和过程监视 （HMI） 行规 ▼对编码器的行规 ▼控制器间通信的行规 ▼楼宇自动化的行规 ▼低压开关装置的行规 ▼温度、压力、液位、流量变送器和定位器等行规 5.以太网在自动化领域能走多远 以太网在工厂自动化管理层和车间监控层已得到广泛应用和用户认可，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用；如果以太网希望走的更远，能够全面进入工厂底层成为设备连接的主要网络技术，那么，以太网必须作出技术改进。 （1） 改进物理层 A. 传输介质应能提供多种工业级护套和铠装电缆、光纤等. B. 各种防护等级工业级的接插件。 &n |
