以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

1、中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS技術(shù)中心技術(shù)中心中國(guó)中國(guó)PROFIBUSBUS產(chǎn)品測(cè)試實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品測(cè)試實(shí)驗(yàn)室唐濟(jì)揚(yáng)唐濟(jì)揚(yáng)231. 以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀以太網(wǎng)、以太網(wǎng)、IEEE 802.3、TCP/IP協(xié)議？協(xié)議？4以太網(wǎng)以太網(wǎng)？5IEEE 802.3物理層媒體接入控制MAC邏輯鏈路控制LLC服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)SAP物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會(huì)話層表示層應(yīng)用層OSI參考模型參考模型IEEE 802參考模型參考模型圖圖1：IEEE 802參考模型相當(dāng)于參考模型相當(dāng)于OSI模型的最低兩層模型的最低兩層6IEEE 802.3 1983年：年：IEEE 802 委員會(huì)以美

2、國(guó)施樂(lè)委員會(huì)以美國(guó)施樂(lè)(Xerox)公司公司+數(shù)字裝備公司數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾英特爾(Intel)公司提交的公司提交的DIX Ethernet V2為基礎(chǔ)，推出了為基礎(chǔ)，推出了IEEE802.3 IEEE802.3的技術(shù)特點(diǎn)：采用的技術(shù)特點(diǎn)：采用CSMA/CD (載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突檢沖突檢測(cè)測(cè))作為作為IEEE802.3的介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)。因此，的介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)。因此， IEEE802.3又稱為又稱為具有具有CSMA/CD的網(wǎng)絡(luò)。的網(wǎng)絡(luò)。7與與IEEE 802 有關(guān)的其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：有關(guān)的其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：IEEE 802.1概述、體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互連，以及網(wǎng)絡(luò)

3、管理和性能測(cè)量。概述、體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互連，以及網(wǎng)絡(luò)管理和性能測(cè)量。IEEE 802.2邏輯鏈路控制邏輯鏈路控制LLC。最高層協(xié)議與任何一種局域網(wǎng)最高層協(xié)議與任何一種局域網(wǎng)MAC子層子層的接口。的接口。IEEE 802.3CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)，定義網(wǎng)絡(luò)，定義CSMA/CD總線網(wǎng)的總線網(wǎng)的MAC子層和物理層子層和物理層的規(guī)范。的規(guī)范。IEEE 802.4令牌總線網(wǎng)。定義令牌傳遞總線網(wǎng)的令牌總線網(wǎng)。定義令牌傳遞總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)子層和物理層的規(guī)范。范。IEEE 802.5令牌環(huán)形網(wǎng)。定義令牌傳遞環(huán)形網(wǎng)的令牌環(huán)形網(wǎng)。定義令牌傳遞環(huán)形網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)子層和物理層的規(guī)范。范。IEEE

4、802.6城域網(wǎng)。城域網(wǎng)。IEEE 802.7寬帶技術(shù)。寬帶技術(shù)。IEEE 802.8光纖技術(shù)。光纖技術(shù)。IEEE 802.9綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)。綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)。IEEE 802.10可互操作的局域網(wǎng)的安全?？苫ゲ僮鞯木钟蚓W(wǎng)的安全。IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)。無(wú)線局域網(wǎng)。IEEE 802.12優(yōu)先高速局域網(wǎng)優(yōu)先高速局域網(wǎng)(100Mb/s)。IEEE 802.13有線電視有線電視(Cable-TV8TCP/IP ？TCP/IP是多臺(tái)相同或不同類型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換的一組通信協(xié)議。是多臺(tái)相同或不同類型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換的一組通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議組的準(zhǔn)確名稱應(yīng)該是協(xié)議組的準(zhǔn)確名稱應(yīng)該

5、是internet（互連網(wǎng)）互連網(wǎng)）協(xié)議族，協(xié)議族，TCP和和IP是其是其中兩個(gè)協(xié)議。而中兩個(gè)協(xié)議。而internet協(xié)議族協(xié)議族TCP/IP還包含了與這兩個(gè)協(xié)議有關(guān)的其它協(xié)還包含了與這兩個(gè)協(xié)議有關(guān)的其它協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（議及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）、）、地址轉(zhuǎn)化協(xié)議（地址轉(zhuǎn)化協(xié)議（ARP）和互連和互連網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）。）。由于由于TCP/IP是是internet采用的協(xié)議組，所以將采用的協(xié)議組，所以將TCP/IP體系結(jié)構(gòu)稱作體系結(jié)構(gòu)稱作internet體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)。9TCP/IP ？LLC2EtherNetIEEE 802.3IEE

6、E 802.4IEEE 802.5IEEE 802.6X3T9.5 FDDI其它其它SLIPPPPHDLC HDLC SDLCSDLCX 2.5I PARPRARPICMPIGRPRIPHELLOTCPUDPCMOTASN-1DNSSMTPFTPTELNETCMOTSNMPASN-1TFTPBOOTPrpcxdrNFS圖2：TCP/IP技術(shù)支持各種局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議10以太網(wǎng)？以太網(wǎng)？IEEE 802.3？TCP/IP?11CSMA/CD、12自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展需求：從單機(jī)控制向工廠自動(dòng)化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展需求：從單機(jī)控制向工廠自動(dòng)化FAFA、系統(tǒng)系統(tǒng)自動(dòng)化方向發(fā)展。自動(dòng)化方向發(fā)展。工廠自動(dòng)化工廠自動(dòng)化FA

7、FA要求應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠信息縱向的要求應(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。透明通信。ERPERP* *MESMES* *AutomationAutomation* *圖1：現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化模型ERPERP* *-Enterprise Resource Plan -Enterprise Resource Plan 企業(yè)企業(yè)資源計(jì)劃資源計(jì)劃MESMES* *- Manufactory Execution - Manufactory Execution SytemSytem制制造執(zhí)行系統(tǒng)造執(zhí)行系統(tǒng)AutomationAutomation* *-車間底層的設(shè)備自動(dòng)化車間底層的設(shè)備自動(dòng)化

8、1314 IBM CompatibleASCII PrinterPlotterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工廠管理級(jí)工廠骨干網(wǎng)車間監(jiān)控網(wǎng)車間監(jiān)控級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)15工廠管理層生產(chǎn)控制層自動(dòng)化層從工廠管理層到自動(dòng)化層從工廠管理層到自動(dòng)化層的數(shù)據(jù)存取的數(shù)據(jù)存取16現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線( (FeildBusFeildBus)”)”: :連接工廠底層設(shè)備之間的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)連接工廠底層設(shè)備之間的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò). .1718總線循環(huán)時(shí)間 1000 ms工廠級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)總線循環(huán)時(shí)間 10 msMMS, TCP/IP Backbone驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳感器PROFI

9、BUS-DP變送器PROFIBUS-PAVME/PC輸入輸出現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS區(qū)域控制器區(qū)域控制器車間級(jí)總線循環(huán)時(shí)間 100 msCNCPLCPLSPC/VMEHostPROFIBUS-FMS現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一個(gè)車間的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用方案一個(gè)車間的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用方案-兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)PROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DP2084年年IEC提出制定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；提出制定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；IEC1158IEC1158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)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) Indu

10、strial Automation Process Control Factory AutomationContinuousProcessControlBatchProcessControlMaterialsHandlingControlRoboticsNumericalControl2122IEC 61158IEC 61158發(fā)展歷程告訴我們：發(fā)展歷程告訴我們：I 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)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

11、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的算機(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。現(xiàn)實(shí)世界。IIII、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)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。協(xié)產(chǎn)物。232425車間級(jí)生產(chǎn)信息集成：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、主要由專用生產(chǎn)設(shè)備、專用測(cè)試設(shè)備、條碼器、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。息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。管理層信息網(wǎng)絡(luò)：

12、管理層信息網(wǎng)絡(luò)：即支撐工廠管理層即支撐工廠管理層MIS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。主系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。主要完成如要完成如ERP的信息系統(tǒng)。的信息系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)：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(wú)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(wú)線通信技術(shù)的線通信技術(shù)的SCADA系統(tǒng)，如城市供水或污水管網(wǎng)的系統(tǒng)，如城市供水或污水管網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、系統(tǒng)、水利水文信息監(jiān)測(cè)水利水文信息監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)等系統(tǒng)等。個(gè)別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：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)也采用以太網(wǎng)式控制系統(tǒng)也采用以太網(wǎng)+TCP/IP技術(shù)，并獲得很好

13、的效果；如發(fā)電技術(shù)，并獲得很好的效果；如發(fā)電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。2627技術(shù)比較：以太網(wǎng)能否取代現(xiàn)場(chǎng)總線成為技術(shù)比較：以太網(wǎng)能否取代現(xiàn)場(chǎng)總線成為 連接設(shè)備層的通信網(wǎng)絡(luò)？連接設(shè)備層的通信網(wǎng)絡(luò)？2.1 2.1 物理層物理層現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線: : 屏蔽雙絞電纜屏蔽雙絞電纜, , 光纖光纖, , 同軸電纜同軸電纜, , 無(wú)線傳輸?shù)慕鉀Q方案無(wú)線傳輸?shù)慕鉀Q方案, , 各種防護(hù)等級(jí)工業(yè)級(jí)的接插件各種防護(hù)等級(jí)工業(yè)級(jí)的接插件; ; 特點(diǎn)特點(diǎn): : 工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、防爆及本征安全、總線供電。工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、防爆及本征安全、總線供電。以太網(wǎng)以太網(wǎng): : 五類線五類線, , 光纖光纖, , 同軸電纜等解決

14、方案。同軸電纜等解決方案。特點(diǎn)特點(diǎn): : ITIT行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)282.22.2介質(zhì)訪問(wèn)控制方式介質(zhì)訪問(wèn)控制方式現(xiàn)場(chǎng)總線：現(xiàn)場(chǎng)總線：令牌、主從、令牌、主從、producer/consumerproducer/consumer特點(diǎn)特點(diǎn): :滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求：通信的實(shí)時(shí)性和確定性滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求：通信的實(shí)時(shí)性和確定性; ; 以太網(wǎng)以太網(wǎng): :CSMA/CD(CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/ /沖突檢測(cè)沖突檢測(cè)) )、 數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù). .特點(diǎn)特點(diǎn): :大數(shù)據(jù)量、寬帶大數(shù)據(jù)量、寬帶292.3 2.3 自動(dòng)化設(shè)備行規(guī)自動(dòng)化設(shè)備行規(guī)為實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)定義的信

15、息規(guī)范。為實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)定義的信息規(guī)范。PROFIBUSPROFIBUS行規(guī)：行規(guī)： NC/RC NC/RC行規(guī)行規(guī) ( (機(jī)器人、數(shù)控行規(guī)機(jī)器人、數(shù)控行規(guī)) ) 各種速度驅(qū)動(dòng)器的行規(guī)各種速度驅(qū)動(dòng)器的行規(guī)操作員控制和過(guò)程監(jiān)視操作員控制和過(guò)程監(jiān)視 ( (HMI) HMI) 行規(guī)行規(guī)對(duì)編碼器的行規(guī)對(duì)編碼器的行規(guī) 控制器間通信的行規(guī)控制器間通信的行規(guī) 樓宇自動(dòng)化的行規(guī)樓宇自動(dòng)化的行規(guī) 低壓開關(guān)裝置的行規(guī)低壓開關(guān)裝置的行規(guī) 溫度、壓力、液位、流量變送器和定位器等行規(guī)溫度、壓力、液位、流量變送器和定位器等行規(guī)3031（1）改造物理層）改造物理層: 各種防護(hù)等級(jí)電纜和工業(yè)級(jí)的接插件各種防護(hù)等級(jí)電纜和

16、工業(yè)級(jí)的接插件 難點(diǎn)：總線供電、本征安全難點(diǎn)：總線供電、本征安全（2）介質(zhì)訪問(wèn)控制方式）介質(zhì)訪問(wèn)控制方式CSMA/CD (載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)沖突檢測(cè))實(shí)時(shí)性？確定性？實(shí)時(shí)性？確定性？增加帶寬能解決問(wèn)題？增加帶寬能解決問(wèn)題？軟件解決？軟件解決？硬件解決？硬件解決？-能走多遠(yuǎn)能走多遠(yuǎn)?323334（1 1）艱難的預(yù)測(cè)：市場(chǎng)與技術(shù)究竟誰(shuí)怕誰(shuí)？）艱難的預(yù)測(cè)：市場(chǎng)與技術(shù)究竟誰(shuí)怕誰(shuí)？ 技術(shù)比較：技術(shù)比較： 以太網(wǎng)：適合以太網(wǎng)：適合ITIT行業(yè)的技術(shù)并在行業(yè)的技術(shù)并在ITIT行業(yè)中獲得成功；行業(yè)中獲得成功； 現(xiàn)場(chǎng)總線：專為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)；現(xiàn)場(chǎng)總線：專為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)； 市場(chǎng)的決定作用：市場(chǎng)的決定作用： 以史為鑒：以史為鑒：UNIXUNIX、 OS2 OS2、DOS/WINDOWSDOS/WINDOWS、高級(jí)語(yǔ)言：、高級(jí)語(yǔ)言： 戰(zhàn)略決策：戰(zhàn)略決策：3536(1) (1) 車間級(jí)生產(chǎn)信息集成更適合使用以太網(wǎng)車間級(jí)生產(chǎn)信息集成更適合使用以太網(wǎng) 設(shè)備具有設(shè)備具有RS-232RS-232接口接口: :如條碼機(jī)如條碼機(jī), , 專用工設(shè)備專用工設(shè)備; ; 實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性, , 確定性確定性, , 可靠性要求不高可靠性要求不高; ; 與上層網(wǎng)絡(luò)的信息規(guī)范和軟件接口兼容；與上層網(wǎng)絡(luò)的信息規(guī)范和軟件接口兼容；(2) (2) 現(xiàn)場(chǎng)總線在設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)中有很大優(yōu)勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)總線