以太網(wǎng)在自動化領域應用現(xiàn)狀與展望

1、中國現(xiàn)場總線中國現(xiàn)場總線PROFIBUS技術中心技術中心中國中國PROFIBUSBUS產(chǎn)品測試實驗室產(chǎn)品測試實驗室唐濟揚唐濟揚231. 以太網(wǎng)在自動化領域應用現(xiàn)狀以太網(wǎng)在自動化領域應用現(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服務訪問點SAP物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層OSI參考模型參考模型IEEE 802參考模型參考模型圖圖1：IEEE 802參考模型相當于參考模型相當于OSI模型的最低兩層模型的最低兩層6IEEE 802.3 1983年：年：IEEE 802 委員會以美

2、國施樂委員會以美國施樂(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，推出了為基礎，推出了IEEE802.3 IEEE802.3的技術特點：采用的技術特點：采用CSMA/CD (載波監(jiān)聽多路訪問載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢沖突檢測測)作為作為IEEE802.3的介質訪問控制技術。因此，的介質訪問控制技術。因此， IEEE802.3又稱為又稱為具有具有CSMA/CD的網(wǎng)絡。的網(wǎng)絡。7與與IEEE 802 有關的其它網(wǎng)絡協(xié)議：有關的其它網(wǎng)絡協(xié)議：IEEE 802.1概述、體系結構和網(wǎng)絡互連，以及網(wǎng)絡

3、管理和性能測量。概述、體系結構和網(wǎng)絡互連，以及網(wǎng)絡管理和性能測量。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，定義網(wǎng)絡，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。寬帶技術。IEEE 802.8光纖技術。光纖技術。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。可互操作的局域網(wǎng)的安全。IEEE 802.11無線局域網(wǎng)。無線局域網(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是多臺相同或不同類型計算機進行信息交換的一組通信協(xié)議。是多臺相同或不同類型計算機進行信息交換的一組通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議組的準確名稱應該是協(xié)議組的準確名稱應該

5、是internet（互連網(wǎng)）互連網(wǎng)）協(xié)議族，協(xié)議族，TCP和和IP是其是其中兩個協(xié)議。而中兩個協(xié)議。而internet協(xié)議族協(xié)議族TCP/IP還包含了與這兩個協(xié)議有關的其它協(xié)還包含了與這兩個協(xié)議有關的其它協(xié)議及網(wǎng)絡應用，如用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（議及網(wǎng)絡應用，如用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）、）、地址轉化協(xié)議（地址轉化協(xié)議（ARP）和互連和互連網(wǎng)控制報文協(xié)議（網(wǎng)控制報文協(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體系結構稱作體系結構稱作internet體系結構。體系結構。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技術支持各種局域網(wǎng)絡協(xié)議10以太網(wǎng)？以太網(wǎng)？IEEE 802.3？TCP/IP?11CSMA/CD、12自動化技術發(fā)展需求：從單機控制向工廠自動化自動化技術發(fā)展需求：從單機控制向工廠自動化FAFA、系統(tǒng)系統(tǒng)自動化方向發(fā)展。自動化方向發(fā)展。工廠自動化工廠自動化FA

7、FA要求應用數(shù)字通信技術實現(xiàn)工廠信息縱向的要求應用數(shù)字通信技術實現(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)自動化模型ERPERP* *-Enterprise Resource Plan -Enterprise Resource Plan 企業(yè)企業(yè)資源計劃資源計劃MESMES* *- Manufactory Execution - Manufactory Execution SytemSytem制制造執(zhí)行系統(tǒng)造執(zhí)行系統(tǒng)AutomationAutomation* *-車間底層的設備自動化車間底層的設備自動化

8、1314 IBM CompatibleASCII PrinterPlotterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工廠管理級工廠骨干網(wǎng)車間監(jiān)控網(wǎng)車間監(jiān)控級現(xiàn)場級網(wǎng)絡現(xiàn)場設備級15工廠管理層生產(chǎn)控制層自動化層從工廠管理層到自動化層從工廠管理層到自動化層的數(shù)據(jù)存取的數(shù)據(jù)存取16現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線( (FeildBusFeildBus)”)”: :連接工廠底層設備之間的數(shù)字通信網(wǎng)絡連接工廠底層設備之間的數(shù)字通信網(wǎng)絡. .1718總線循環(huán)時間 1000 ms工廠級現(xiàn)場級總線循環(huán)時間 10 msMMS, TCP/IP Backbone驅動器現(xiàn)場設備傳感器PROFI

9、BUS-DP變送器PROFIBUS-PAVME/PC輸入輸出現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線PROFIBUS區(qū)域控制器區(qū)域控制器車間級總線循環(huán)時間 100 msCNCPLCPLSPC/VMEHostPROFIBUS-FMS現(xiàn)場設備一個車間的現(xiàn)場總線應用方案一個車間的現(xiàn)場總線應用方案-兩級網(wǎng)絡結構兩級網(wǎng)絡結構PROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DP2084年年IEC提出制定現(xiàn)場總線技術標準；提出制定現(xiàn)場總線技術標準；IEC1158IEC1158的目標是制定面向整個工業(yè)自動化的現(xiàn)場總線標準的目標是制定面向整個工業(yè)自動化的現(xiàn)場總線標準 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)自動化技術應用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技工業(yè)自動化技術應用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技術不可能滿足所有行業(yè)的技術要求；現(xiàn)場總線不同于計術不可能滿足所有行業(yè)的技術要求；現(xiàn)場總線不同于計算機網(wǎng)絡，人們將會面對一個多種總線

11、技術標準共存的算機網(wǎng)絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現(xiàn)實世界?，F(xiàn)實世界。IIII、技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術標準不單是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥技術標準不單是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。協(xié)產(chǎn)物。232425車間級生產(chǎn)信息集成：車間級生產(chǎn)信息集成：主要由專用生產(chǎn)設備、專用測試設備、主要由專用生產(chǎn)設備、專用測試設備、條碼器、條碼器、PC機及以太網(wǎng)絡設備組成；主要功能是完成車間級生產(chǎn)信機及以太網(wǎng)絡設備組成；主要功能是完成車間級生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質量信息的管理。息及產(chǎn)品質量信息的管理。管理層信息網(wǎng)絡：

12、管理層信息網(wǎng)絡：即支撐工廠管理層即支撐工廠管理層MIS系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡。主系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡。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、含有計算機廣域網(wǎng)技術、無特別是一些區(qū)域廣泛、含有計算機廣域網(wǎng)技術、無線通信技術的線通信技術的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)測水利水文信息監(jiān)測SCADA系統(tǒng)等系統(tǒng)等。個別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡：個別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡：個別要求高可靠性和一定實時性的分布個別要求高可靠性和一定實時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，并獲得很好

13、的效果；如發(fā)電技術，并獲得很好的效果；如發(fā)電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。2627技術比較：以太網(wǎng)能否取代現(xiàn)場總線成為技術比較：以太網(wǎng)能否取代現(xiàn)場總線成為 連接設備層的通信網(wǎng)絡？連接設備層的通信網(wǎng)絡？2.1 2.1 物理層物理層現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線: : 屏蔽雙絞電纜屏蔽雙絞電纜, , 光纖光纖, , 同軸電纜同軸電纜, , 無線傳輸?shù)慕鉀Q方案無線傳輸?shù)慕鉀Q方案, , 各種防護等級工業(yè)級的接插件各種防護等級工業(yè)級的接插件; ; 特點特點: : 工業(yè)級標準、防爆及本征安全、總線供電。工業(yè)級標準、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。特點特點: : ITIT行業(yè)標準行業(yè)標準282.22.2介質訪問控制方式介質訪問控制方式現(xiàn)場總線：現(xiàn)場總線：令牌、主從、令牌、主從、producer/consumerproducer/consumer特點特點: :滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡的要求：通信的實時性和確定性滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡的要求：通信的實時性和確定性; ; 以太網(wǎng)以太網(wǎng): :CSMA/CD(CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問載波監(jiān)聽多路訪問/ /沖突檢測沖突檢測) )、 數(shù)據(jù)交換技術數(shù)據(jù)交換技術. .特點特點: :大數(shù)據(jù)量、寬帶大數(shù)據(jù)量、寬帶292.3 2.3 自動化設備行規(guī)自動化設備行規(guī)為實現(xiàn)各種現(xiàn)場設備互聯(lián)定義的信

15、息規(guī)范。為實現(xiàn)各種現(xiàn)場設備互聯(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) ( (機器人、數(shù)控行規(guī)機器人、數(shù)控行規(guī)) ) 各種速度驅動器的行規(guī)各種速度驅動器的行規(guī)操作員控制和過程監(jiān)視操作員控制和過程監(jiān)視 ( (HMI) HMI) 行規(guī)行規(guī)對編碼器的行規(guī)對編碼器的行規(guī) 控制器間通信的行規(guī)控制器間通信的行規(guī) 樓宇自動化的行規(guī)樓宇自動化的行規(guī) 低壓開關裝置的行規(guī)低壓開關裝置的行規(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: 各種防護等級電纜和工業(yè)級的接插件各種防護等級電纜和

16、工業(yè)級的接插件 難點：總線供電、本征安全難點：總線供電、本征安全（2）介質訪問控制方式）介質訪問控制方式CSMA/CD (載波監(jiān)聽多路訪問載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測沖突檢測)實時性？確定性？實時性？確定性？增加帶寬能解決問題？增加帶寬能解決問題？軟件解決？軟件解決？硬件解決？硬件解決？-能走多遠能走多遠?323334（1 1）艱難的預測：市場與技術究竟誰怕誰？）艱難的預測：市場與技術究竟誰怕誰？ 技術比較：技術比較： 以太網(wǎng)：適合以太網(wǎng)：適合ITIT行業(yè)的技術并在行業(yè)的技術并在ITIT行業(yè)中獲得成功；行業(yè)中獲得成功； 現(xiàn)場總線：專為工業(yè)自動化設計；現(xiàn)場總線：專為工業(yè)自動化設計； 市場的決定作用：市場的決定作用： 以史為鑒：以史為鑒：UNIXUNIX、 OS2 OS2、DOS/WINDOWSDOS/WINDOWS、高級語言：、高級語言： 戰(zhàn)略決策：戰(zhàn)略決策：3536(1) (1) 車間級生產(chǎn)信息集成更適合使用以太網(wǎng)車間級生產(chǎn)信息集成更適合使用以太網(wǎng) 設備具有設備具有RS-232RS-232接口接口: :如條碼機如條碼機, , 專用工設備專用工設備; ; 實時性實時性, , 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)絡的信息規(guī)范和軟件接口兼容；與上層網(wǎng)絡的信息規(guī)范和軟件接口兼容；(2) (2) 現(xiàn)場總線在設備級控制系統(tǒng)中有很大優(yōu)勢現(xiàn)場總線