現(xiàn)場總線標準化進程

1、.：.；現(xiàn)場總線規(guī)范化進程8種現(xiàn)場總線經(jīng)過14年的紛爭，最后IEC的現(xiàn)場總線規(guī)范化組織經(jīng)投票，經(jīng)過以下這8種現(xiàn)場總線成為IEC61158現(xiàn)場總線規(guī)范，即：FF H1，Control Net，PROFIBUS,INTERBUS，P-Net，World FIP，Swift Net，F(xiàn)F之高速Ethernet即HSE。其中，P-Net和Swift Net是公用總線；Control Net，PROFIBUS,Wold FIP和INTERBUS是PLC開展而來的；而FF和HSE是從傳統(tǒng)DCS開展而來的。這8種現(xiàn)場總線采用的通訊協(xié)議完全不同，因此，要實現(xiàn)這些總線的兼容和互操作是非常困難的。由于各消費廠商要

2、盡能夠地控制市場份額，維護各自過去的投資利益，經(jīng)過14年的長期急診而意見難以一致，于是各自退回原地，開展了一場捍衛(wèi)各自“領地的戰(zhàn)斗。目前，這8種現(xiàn)場總線都在各自修正其運用層協(xié)議，支持IEC61784規(guī)范，爭取經(jīng)過高層協(xié)議以到達相互兼容之目的。如2002年完成任務，將使IEC61158成為一個根本一致的、由多部分組成的規(guī)范。眾所周知，最早的氣動單元組合儀表采用0.21.0N/cm2一致規(guī)范化氣動信號，電動單組合儀表采用420mA規(guī)范化信號互聯(lián)，任何廠家的產(chǎn)品均可以實現(xiàn)互聯(lián)，這兩代儀表系統(tǒng)都得到安康開展。面現(xiàn)場總線由于不同產(chǎn)品和消費廠家，經(jīng)14年爭論也無法達成一致，多規(guī)范等于無規(guī)范。市場迫切需求一

3、致規(guī)范的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。只需經(jīng)過制定新規(guī)范才干實現(xiàn)，為了加快新一代系統(tǒng)的，人們開場尋求新的出路。幾種能夠的出路是：出路一各種現(xiàn)場總線一致到12種。IEC61158的產(chǎn)生本身就闡明這種能夠性很小。出路二開發(fā)一切現(xiàn)場總線通用的接口，本錢較高且難度較大。出路三各國不理睬IEC61158，采用自主知識產(chǎn)權(quán)的協(xié)議。主不符合經(jīng)濟全球化開展趨勢。出路四采用曾經(jīng)是通用的國際規(guī)范Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其在工業(yè)體育場成熟運用，易于被寬廣國家用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。Ethernet在工業(yè)自動化中運用的假設干問題Ethernet進軍工業(yè)自動化的主要動力是：本錢低；速度的提高，因普

4、通遍運用所構(gòu)成的硬件資源、軟件資源和廣泛支持。Ethernet是世界上運用最多的網(wǎng)絡，超越93%的網(wǎng)絡節(jié)點為Ethernet。Ethernet用于工業(yè)自動化有以下4個問題需求處理。1 實時性問題實時性就是信號傳輸足夠快加上確定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求。Ethernet開展的現(xiàn)實是： 交換式100M Ethernet已廣泛運用，能提供足夠的帶寬和減少沖突。 全雙工網(wǎng)絡和具優(yōu)先權(quán)的傳送機制得保證確定性。 典型的工業(yè)運用，峰值負載為10M Ethernet的5%，在100M Ethernet網(wǎng)絡負載為0.5%，而

5、Ethernet只需當負載達40%以上時才會有明顯的延遲景象。 在100M Ethernet網(wǎng)中，發(fā)送一個包延時超越2ms的情況，5年也不會發(fā)生一次。美國電力研討院的實驗結(jié)果可保證4ms以內(nèi)。2 Ethernet如何滿足現(xiàn)場環(huán)境問題Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室運用而設計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾性能較差。假設用于危險場所，它不具備本安特性，也不具備經(jīng)過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。隨著網(wǎng)絡技術的開展，上述問題正在迅速得到處理。為理處理在不延續(xù)的工業(yè)運用領域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定地任務的問題，美國Synergetic

6、微系統(tǒng)公司和德國Hirschman公司專門開發(fā)和消費了導軌式收發(fā)器、集線器和交換機系列產(chǎn)品，安裝在規(guī)范DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用結(jié)實的DB-9構(gòu)造。美國NET silicon公司研制的工業(yè)Ethernet通訊接口芯片，每片價錢已降至1015美圓，與各種現(xiàn)場總線芯片相比，具有很大的價錢優(yōu)勢。如今的工業(yè)Ethernet現(xiàn)場總線采用一種稱為銜接安裝linking device類似帶開關的集線器構(gòu)造，很好地處理了Ethernet的時間確定性問題。目前，PROFIBUSDeviceNet,ControlNet和LonWorks等都計劃運用Ethernet。這些公司都在研討經(jīng)過隧道Turn

7、el的簡單傳輸機構(gòu)，運用Ethernet傳送報文。3 在工業(yè)控制中運用Ethernet如何獲得技術支持。由于采用與商用Ethernet一樣的技術，因此具有最寬廣的支持網(wǎng)絡和資源。為了促進Ethernet在工業(yè)領域的運用國際上成立了工業(yè)Ethernet協(xié)會 HYPERLINK lndustrial.Ethernet t _blank lndustrial.Ethernet和IAONA HYPERLINK iaona/ t _blank HYPERLINK iaona t _blank iaona，并與美國ARC Advisory Group AMR Resesch研討中心和Gartnet Gro

8、np、AMR Reseach研討中心和Gartner Group等機構(gòu)協(xié)作，開展工業(yè)Ethernet關鍵技術的研討。美國電氣工程師協(xié)會IEEE正著手制定現(xiàn)場安裝與Ethernet通訊的新規(guī)范該規(guī)范。該規(guī)范讓網(wǎng)絡直接看到對象object。這些任務為Ethernet進入工業(yè)自動化的現(xiàn)場級打下了根底。為順應市場趨勢全球主要自動化廠商和組織加強了工業(yè)Ethernet實現(xiàn)。 法國施奈德公司：4年前推出透明工廠戰(zhàn)略，使其成為工業(yè)Ethernet運用的堅決倡導者。ModbusTCP/IP1998是目前工業(yè)Ethernet現(xiàn)實了規(guī)范，并促進Ethernet在傳感器和設備級的運用。 德國門子公司：1998年發(fā)布

9、工業(yè)Ethernet白皮書，并于2001年發(fā)布其工業(yè)Ethernet的規(guī)范，稱為PROFINET。 美國洛威爾自動化公司：2000年發(fā)布工業(yè)Ethernet規(guī)范，稱為Ethernet/IP。 基金會現(xiàn)場總線FF：2000年發(fā)布工業(yè)Ethernet規(guī)范，稱為HSE。4 Ethernet與網(wǎng)絡平安問題 在工廠運用互聯(lián)網(wǎng)技術并不意味著工廠網(wǎng)絡一定要銜接到互聯(lián)網(wǎng)。采用網(wǎng)絡的工廠，連入互聯(lián)網(wǎng)均運用TCP/IP。這樣就面臨互聯(lián)網(wǎng)類似的平安問題。 平安隱患：病毒、工業(yè)間諜、黑客、軟件BUG、恐懼主義。 黑客的動機：金錢、信息、恐懼主義、破壞、政治等，工業(yè)現(xiàn)場相對較少吸引力。同時，黑客行為是高技術的，有費時費

10、力費錢的代價。 物理銜接納理提高平安性：PLC操作系統(tǒng)是專有的，不易遭到黑客、病毒的侵略。 RAS、VPN提供遠程訪問：硬件身份識別。 可提供多種平安機制：用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等。隨著生物信息技術的開展，指紋、聲音等生物信息將提高網(wǎng)絡的平安性。基于TCP/IP的Ethernet在工業(yè)自動化中的運用Ethernet僅僅只需物理層和鏈路層規(guī)范，它通常與TCP/IP等平臺無關的協(xié)議結(jié)合運用。我們所指的Ethernet實踐上是指基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet，即Ethernet/IP。過去，以消費PLC為主的公司都運用Ethernet完成信息級通訊，其中，西門了公司的SIMATICNET

11、將Ethernet運用到車間級，并有向下層通訊的趨勢。隨著FF HSE的開發(fā)勝利，Ethernet將廣泛運用于工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡。特別令人感興趣的是，國際上有些公司已推出了完全以工業(yè)Ethernet為根底的控制系統(tǒng)，其工廠級、監(jiān)控級和現(xiàn)場級均采用基于TCP/P通訊協(xié)議的工業(yè)Ethernet，配備Wed server功能，而且這種趨勢愈來愈明顯。人們預測，像當年工業(yè)PC進入工業(yè)自動化領域一樣，Ethernet/IP將會非常迅速地進入工業(yè)控制的各級網(wǎng)絡?；赥CP/IP的Ethernet構(gòu)成的工廠網(wǎng)絡的最大優(yōu)點是將工廠的商務網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡和現(xiàn)場級的儀表、設備網(wǎng)絡構(gòu)成了暢通的透明網(wǎng)絡，并與W

12、EB功能相結(jié)合，與工廠的電子商務、物資供應鏈和ERP等構(gòu)成整體，這就是施奈德的透明工廠概念。所謂透明工廠，即基于開放的Internet和Ethernet，實現(xiàn)： 開放的商業(yè)化技術的運用OPC servers,Ethernet,Internet,IEC1131; 基于IT/Internet技術的產(chǎn)品開發(fā) 嵌入式網(wǎng)頁效力器和閱讀器提供對PLC數(shù)據(jù)的訪問時間和可視化； 采用開放的網(wǎng)絡戰(zhàn)略 TCP/IP，物理層Ethernet； 創(chuàng)建現(xiàn)有的PLC作為“內(nèi)容提供商嵌入式效力器插件和OPC server。Ethernet及其運用層協(xié)議Ethernet/IP按照互聯(lián)網(wǎng)參考的7層協(xié)議，Ethernet只提供了

13、物理層和鏈路層協(xié)議，且通常與TCP/IP等協(xié)議結(jié)合運用。由于運用層協(xié)議不同，因此難以保證其互操作性。傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議TCP/IP是Internet的網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議。在商業(yè)領域，它的互操作性由Internet的運用層的文件傳輸FTP、終端訪真Telnet、電子郵件SMTP和他公共協(xié)議保證；在自動化領域，尚無規(guī)范的運用層，各自動化廠商都有本人的運用層，如Mod bus Ethernet TCP/IP就是一種運用層協(xié)議。為了在不同的網(wǎng)絡設備中實現(xiàn)互操作，公共運用層是。當前，多個組織正在為工業(yè)自動領域的TCP/IP定義公共運用層協(xié)議。特別是將Ethernet用于現(xiàn)場設備級，是當前的熱點課題。

14、例如，面向制造自動化的Ethernet，產(chǎn)生了一種基于控制和信息的協(xié)議CIP的新型Ethernet工業(yè)實時Ethernet。這是為傳輸控制協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)協(xié)議/協(xié)議TCP/UDP/IP定義的、基于主機/客戶機的控制和信息協(xié)議。Ethernet的CIP稱為Ethernet/IP。CIP是專為工業(yè)控制設計的運用層協(xié)議，提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設備操作的效力集。它采用用戶數(shù)據(jù)協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議UDP/IP和傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議TCP/IP作為Ethernet網(wǎng)上的控制和信息協(xié)議，允許發(fā)送顯式信息和隱式控制報文。其中，隱式報文是對時間有苛刻要求的I/O信息事件觸發(fā)、控制器互鎖等，經(jīng)過UDP/IP完成的隱式報文

15、中數(shù)據(jù)區(qū)包含實時I/O數(shù)據(jù)CIP的控制部分；顯式報文是無時間苛刻要求的點對點信息，可由TCP/IP完成CIP的信息部分。CIP向終端用戶提供了自動化系統(tǒng)必不可少的控制、組態(tài)、數(shù)據(jù)采集效力功能。為面向自動化領域提供了Ethernet網(wǎng)上的工業(yè)自動化設備的互操作性和可換性。最近，著名的工業(yè)通訊技術國際組織ODVA和PI在美國德州休斯敦新聞發(fā)布會上發(fā)表公開信，聲稱他們迄今為止相互競爭的現(xiàn)場總線以太網(wǎng)處理議案要在OPC建議的DX協(xié)議下彼此協(xié)調(diào)以推進規(guī)范化任務。特別是就定義工業(yè)以太網(wǎng)的功能和互操作性達成共識，并將以下方面作為任務重點：IP地址即插即用互操作的通用戰(zhàn)略、安裝描畫和恢復機制；網(wǎng)絡診斷議案；指

16、點運用WEB技術；一致性測試需求；產(chǎn)生一種運用接口，以消除協(xié)議間的差別。OPC DX是一個開放的處理議案，允許當今市場上存在的規(guī)范：FF的HSE/H1、ODVA的CIP及PI的PROFINET相互并存。OPC DX規(guī)范提供了可互操作的數(shù)據(jù)交換和在以太網(wǎng)上報務器對效力器的通訊。它是已存在的OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范的擴展，它還擴展了運轉(zhuǎn)時間內(nèi)的數(shù)據(jù)共享交換及實時協(xié)議運用的獨立性。利用擴展的OPC接口，可以協(xié)調(diào)和互聯(lián)不同現(xiàn)場總線組織的不同協(xié)議。OPC DX規(guī)范和源碼在2001年12月份公布，多個消費廠商的原型在2002年4月出現(xiàn)。Ethernet作為為總線的前景、困難以及對策1 Ethernet作為現(xiàn)場總

17、線的前景自動化系統(tǒng)和管理管理的進一步交融，WEB技術和無線等運用促使自動網(wǎng)絡采用通用的Ethernet。主流自動化廠商對Ethernet工業(yè)運用的積極態(tài)度將起到強大的推進作用，同時也緩解總線之爭的負作用。Ethernet本身的迅速開展，在性能人價錢上還有很大的改善空間。Ethernet，TCP/IP本身未處理互操作性問題，但為之鋪平了道路。在單元和模板以上，Ethernet已具有優(yōu)勢。在傳感器級別，性價比還不具競爭力，有大小用之嫌。在儀表等領域，Ethernet要滿足本安型運用有一定難度，也很難滿足對儀表供電等要求。市場集中度進一步提高，Ethernet有顯著增長。主要廠商目前的動態(tài)闡明，對Ethernet的預期依然保守。2 促進工業(yè)Ethernet運用對中國產(chǎn)業(yè)界的影響