以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
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2．以太網(wǎng)為什么會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化行業(yè)
以太網(wǎng)+TCP/IP作為辦公網(wǎng)、商務(wù)網(wǎng)在IT行業(yè)中獨(dú)霸天下，其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)。但為什么近年來會(huì)逐步向自動(dòng)化行業(yè)發(fā)展，形成與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的局面？回顧近年來自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展, 可以了解到其中的原委?！ ?BR>（1）自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動(dòng)化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化
近年來，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展使人們認(rèn)識(shí)到，單純提高生產(chǎn)設(shè)備單機(jī)自動(dòng)化水平，并不一定能給整個(gè)企業(yè)帶來好的效益；因此，企業(yè)給自動(dòng)化技術(shù)提出的進(jìn)一步要求是：將整個(gè)工廠作為一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益。因此，有了現(xiàn)代制造自動(dòng)化模型，見圖2。所以說自動(dòng)化技術(shù)由單機(jī)自動(dòng)化發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化。
現(xiàn)代制造自動(dòng)化模>
自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制向工廠自動(dòng)化FA、系統(tǒng)自動(dòng)化方向發(fā)展。制造業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出了數(shù)字化通信及信息集成的技術(shù)的要求;即要求應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠信息縱向的透明通信。
（2）工廠底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成、車間底層數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是信息集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)
為滿足工廠上層管理對(duì)底層設(shè)備信息的要求, 工廠車間底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息集成是實(shí)現(xiàn)全廠FA/CIMS的基礎(chǔ)。見圖3: 工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)：工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)
工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)：工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí) >
(3) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生
現(xiàn)場(chǎng)總線(FieldBus)是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用,為車間底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術(shù)平臺(tái).圖4是工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信,即從管理層到自動(dòng)化底層的數(shù)據(jù)存取.
工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信>
(4) 現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一ROFIBUS技術(shù)
ROFIBUS技術(shù)是1987年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；1989年批準(zhǔn)為德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245（PROFINUS-FMS/-DP）；1996年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；1999年P(guān)ROFIBUS成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分(Type III).
PROFIBUS技術(shù)為設(shè)備層提供了PROFIBUS-DP和-PA技術(shù)，為車間層提供了PROFIBUS-FMS技術(shù),見圖5?！ ?BR>?PROFIBUS-DP是設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線, 用于控制器(如PLC、PC、NC)與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備（如驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)設(shè)備、HMI等）之間的通信總線；
?設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有高速（12M）、實(shí)時(shí)、確定、可靠特點(diǎn)（如-DPV2可用于運(yùn)動(dòng)控制），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)較小。
?PROFIBUS-PA也是設(shè)備層總線，具有IEC61158-2的物理層，可實(shí)現(xiàn)總線供電，并有本質(zhì)安全技術(shù)。
?PROFIBUS-FMS車間級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，主要用于車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控。主要完成車間生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)過程監(jiān)控、車間級(jí)生產(chǎn)管理、車間底層設(shè)備及生產(chǎn)信息集成。車間級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線具有傳輸數(shù)據(jù)量大、應(yīng)用層信息規(guī)范完整等特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高。
（5）國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61158
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念，面對(duì)自動(dòng)化行業(yè)千變?nèi)f化的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)不同廠家不同種類產(chǎn)品的互連，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作至關(guān)重要。為此， 國(guó)際IEC委員會(huì)于1984年提出制定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC1158（即IEC61158）。
A． IEC 61158目標(biāo)：IEC1158的目標(biāo)是制定面向整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。為此，根據(jù)不同行業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的需求不同，將自動(dòng)化技術(shù)分為五個(gè)不同的行業(yè)；見圖6：IEC1158的目標(biāo)。IEC61158是要制定出一部滿足工業(yè)自動(dòng)化五大行業(yè)不同應(yīng)用需求的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
B．妥協(xié)的結(jié)果
經(jīng)過十幾年的努力，1998年，對(duì)IEC 61158 （TS）進(jìn)行投票。由于IEC 61158 （TS）只包含了Process Control部分，因此，IEC 61158 （TS）沒有通過投票，自動(dòng)化行業(yè)期待了十多年的統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的努力失敗。1999年12月，IEC61158放棄了原有設(shè)想，通過妥協(xié)方案，即： 以IEC 61158 （TS）+ Add.Protocols作為IEC61158技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方案；其中Add.Protocols包含Control Net、PROFIBUS、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP和Interbus總線?！ ?BR>自動(dòng)化行業(yè)將面臨一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)實(shí)世界。
C．IEC 61158發(fā)展歷程給我們的啟示
面對(duì)當(dāng)今以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用潮流，IEC 61158發(fā)展歷程至少給了我們兩點(diǎn)啟示，這對(duì)我們能夠清醒面對(duì)現(xiàn)實(shí)頗有好處：I、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不可能滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現(xiàn)場(chǎng)總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會(huì)面對(duì)一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。II、技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場(chǎng)規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不單是一個(gè)技術(shù)規(guī)范，也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。
（6）以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域
IEC61158制定統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)努力的失敗，使一部分人自然轉(zhuǎn)向了在IT行業(yè)已經(jīng)獲得成功的以太網(wǎng)技術(shù)。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)，給了以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。積極推進(jìn)這種技術(shù)概念的如法國(guó)施耐德公司，面向工廠自動(dòng)化提出了基于以太網(wǎng)+TCP/IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。望文生義可以理解為：“協(xié)議規(guī)范統(tǒng)一，信息透明存取”。 施耐德公司是將以太網(wǎng)技術(shù)引入工廠設(shè)備底層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者，已有一批工業(yè)級(jí)產(chǎn)品問世和實(shí)際應(yīng)用。
3．以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，以太網(wǎng)工業(yè)在自動(dòng)化領(lǐng)域已有不少成功應(yīng)用實(shí)例，主要集中在以下幾個(gè)方面：
(1) 車間級(jí)生產(chǎn)信息集成：主要由專用生產(chǎn)設(shè)備、專用測(cè)試設(shè)備、條碼器、PC機(jī)及以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成；主要功能是完成車間級(jí)生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。管理層信息網(wǎng)絡(luò)：即支撐工廠管理層MIS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。主要完成如ERP的信息系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)：特別是一些區(qū)域廣泛、含有計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)的SCADA系統(tǒng)，如城市供水或污水管網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、水利水文信息監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)等。個(gè)別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：個(gè)別要求高可靠性和一定實(shí)時(shí)性的分布式控制系統(tǒng)也有采用以太網(wǎng)+TCP/IP技術(shù)，并獲得很好的效果；如水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
既然以太網(wǎng)已成功的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化諸多方面，既然IEC61158沒有給出一個(gè)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為什么不能將以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)過程控制底層，即設(shè)備層，成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)？這就回到了本文開篇的話題。在這個(gè)問題上，除去各公司利益代言人從公司市場(chǎng)利益出發(fā)的商業(yè)宣傳不算，就是自動(dòng)化行業(yè)專家們也是智者見智，仁者見仁，看法不盡相同。筆者從事現(xiàn)場(chǎng)總技術(shù)研發(fā)工作，習(xí)慣從技術(shù)方面將以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行比較，從而得出幾點(diǎn)看法。
4. 以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的比較
(1) 物理層
現(xiàn)場(chǎng)總線
A. 傳輸介質(zhì)：多數(shù)采用屏蔽雙絞電纜（RS-485）、光纖、同軸電纜，以解決長(zhǎng)線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率和電磁干擾等問題。也有無線傳輸方案，以適應(yīng)不同場(chǎng)合需要?！ ?BR>B. 插件：各種防護(hù)等級(jí)工業(yè)級(jí)的接插件?！ ?BR>C． 線供電及本質(zhì)安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的場(chǎng)合。
D. 編碼：異步 NRZ、位同步曼徹斯特編碼等?！ ?BR>E. 傳輸速率：9.6k~12M
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