簡述工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)服務(wù)于工業(yè)控制系統(tǒng)，其發(fā)展與控制技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，而控制技術(shù)是應(yīng)生產(chǎn)工具/裝置的要求而產(chǎn)生的，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的。
人類發(fā)展的過程是一個(gè)生產(chǎn)力發(fā)展的過程，也是制造和使用工具水品提升的過程，根據(jù)人們對工具使用的水平，我們可以將生產(chǎn)水平分為如下四個(gè)階段：
手工生產(chǎn)階段在這個(gè)階段人們只能使用簡單的工具，主要依賴人類和牲畜的體力進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)量較小，生產(chǎn)技術(shù)代代相傳，沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的工藝標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的一致性和連貫性較差，在不同的時(shí)間和區(qū)域差別非常大。
機(jī)械化生產(chǎn)階段此階段與手工生產(chǎn)階段最大的不同在于，主要生產(chǎn)的動力來自動力轉(zhuǎn)化機(jī)械裝置，如蒸氣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)等，工人主要負(fù)責(zé)原料的準(zhǔn)備、搬運(yùn)，產(chǎn)品的包裝、儲運(yùn)，設(shè)備狀況的監(jiān)視及對設(shè)備的操作等。機(jī)械化生產(chǎn)極大的提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品的一致性。在此階段，出于提高效率考慮，人們開發(fā)出了一些簡單的自動化控制裝置，如能使風(fēng)車迎向風(fēng)向的尾翼裝置，能使蒸汽輪機(jī)保持速度穩(wěn)定的飛球調(diào)節(jié)器等。
自動化生產(chǎn)階段此階段的特點(diǎn)是大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，工人的工作主要是對生產(chǎn)裝置進(jìn)行控制，原輔料進(jìn)入生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)出預(yù)定的產(chǎn)品，產(chǎn)品的產(chǎn)量和一致性大幅度提高。在此階段，生產(chǎn)裝置的規(guī)模逐漸增加，生產(chǎn)過程對設(shè)備之間的協(xié)調(diào)提出了更高的要求，電子控制裝置隨之出現(xiàn)，為了協(xié)調(diào)設(shè)備之間的協(xié)同工作，出現(xiàn)了工業(yè)通訊技術(shù)。
智能化生產(chǎn)階段此階段的生產(chǎn)特點(diǎn)是多品種，小批量，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，以前采用的使用不同的設(shè)備來生產(chǎn)不同類產(chǎn)品的方案此時(shí)難以滿足如此多的個(gè)性化要求，制造業(yè)主希望能夠以少量的設(shè)備生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品品種，柔性制造的概念因而出現(xiàn)。1973年，美國學(xué)者哈林頓博士提出計(jì)算機(jī)集成制造CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的概念，其基本出發(fā)點(diǎn)是：
企業(yè)的名種生產(chǎn)經(jīng)營活動是不可分割的，要統(tǒng)一考慮；整個(gè)生產(chǎn)制造過程實(shí)質(zhì)上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程。
20多年來，CIMS的概念已從典型的離散型機(jī)械制造業(yè)擴(kuò)展到化工、冶金等連續(xù)或半連續(xù)制造業(yè)。CIMS與計(jì)算機(jī)綜合自動化制造系統(tǒng)是同義詞，是自動化程度不同的多個(gè)子系統(tǒng)的集成，如管理信息系統(tǒng)、制造資源計(jì)劃系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等。它面向整個(gè)企業(yè)，覆蓋企業(yè)的多種經(jīng)營活動，包括生產(chǎn)經(jīng)營管理、工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造各個(gè)環(huán)節(jié)，即從產(chǎn)品報(bào)價(jià)、接受訂單開始，經(jīng)計(jì)劃安排、設(shè)計(jì)、制造直到產(chǎn)品出廠及售后服務(wù)等的全過程。
在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，CIMS被賦予了新的含義，即現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（Contemporary Integrated Manufacturing System）。將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于企業(yè)經(jīng)營的各個(gè)階段，通過信息集成、過程優(yōu)化及資源優(yōu)化，提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭力。
根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現(xiàn)場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。在一個(gè)現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個(gè)層次，與簡化的網(wǎng)絡(luò)層次相對應(yīng)。
現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個(gè)測控點(diǎn)），即所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。這種傳統(tǒng)的連接方式存在信息量、開放性、可靠性、可維護(hù)性等方面還存在不足之處。
隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場智能設(shè)備的功能迅速提升，內(nèi)置處理芯片，能夠完成諸如數(shù)模轉(zhuǎn)換、自診斷、量程轉(zhuǎn)換、回路調(diào)節(jié)等功能。對于這些智能現(xiàn)場設(shè)備，可以方便的增加一個(gè)串行數(shù)據(jù)接口，這樣，上位控制器就可以按其規(guī)定的通信協(xié)議，通過串行通信方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法。基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。
現(xiàn)場總線技術(shù)的構(gòu)想始于20世紀(jì)70年代，隨著CIMS概念的提出，人們迫切希望能夠出現(xiàn)一種能夠用于工業(yè)環(huán)境，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)起來價(jià)格便宜的通訊系統(tǒng)，來構(gòu)建工廠的底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)字化通信，并能夠于外界實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種需求背景之下出現(xiàn)的產(chǎn)物。北美和歐洲的自動化產(chǎn)品廠商和相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都著手現(xiàn)場總線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，由于行業(yè)和區(qū)域的差別，以及各個(gè)利益集團(tuán)為了維護(hù)自己的經(jīng)濟(jì)利益互不妥協(xié)，本來應(yīng)該統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)遲遲難以統(tǒng)一。
公認(rèn)的現(xiàn)場總線技術(shù)概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。或者，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
目前，國際上比較被認(rèn)可的現(xiàn)場總線主要有2類，即國際電工組織的用于工業(yè)控制系統(tǒng)的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)、用于現(xiàn)場設(shè)備同選的IEC62026標(biāo)準(zhǔn)，還有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO11898:1993。IEC61158是國際電工委員會測量和控制的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)分會和美國儀表學(xué)會聯(lián)合制定的，最早從1984年起草，經(jīng)過16年的努力協(xié)調(diào)磋商，到2000年才投票通過，但是沒有實(shí)現(xiàn)唯一的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，IEC61158包含10類標(biāo)準(zhǔn)：
ü FF-H1
ü ControlNet
ü PROFIBUS
ü P-Net
ü FF-HSE
ü SwiftNet
ü WorldFIP
ü InterBus
ü EtherNet/IP
ü PROFINET
上面的FF-HSE、EtherNet/IP和PROFINET是工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)很早就已經(jīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的信息層，這些運(yùn)用信息量大，對實(shí)時(shí)性的要求相對較低。相比現(xiàn)場總線，更高的通訊速度和更好的兼容性是工業(yè)以太網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)與普通的以太網(wǎng)相比，需要解決可靠性、抗干擾性、實(shí)時(shí)性、本質(zhì)安全等方面的問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。通訊速度的大幅度提高和采用恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大的改善了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，而采用更高品質(zhì)的材料和選擇合適的通訊介質(zhì)，采用更加可靠的連接方式大大提高了以太網(wǎng)的可靠性。
由于以太網(wǎng)有“一網(wǎng)到底”的美譽(yù)，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。
目前市場上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)非常多，除開上面提到的3種標(biāo)準(zhǔn)之外，世界各國及各大自動化公司提出的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)十多種，我國以浙江中控為首的組織也提出了EPA標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)成為IEC的預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)。