工业以太网与现场总线技术各自优缺点和应用

描述

随着“工业4.0”战略的展开，计算机技术、通讯技术、IT技术的发展已经渗入到工控领域，其中最主要的表现就是工业现场总线技术和工业以太网技术。其中工业现场总线技术，特别是以太网技术的广泛使用，为自动化技术带来了深刻变革。

【现场总线】

现场总线式应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

【控制组成】

1.现场总线控制系统
它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。

2.现场总线的测量系统
其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。

3.设备管理系统
可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。

4.总线系统计算机服务模块
以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。

5.数据库
它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据了系统。

6.网络系统的硬件与软件
网络系统硬件：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器、用户计算机等底层智能化仪表
网络系统软件：NetWarc、LAN Mangger、Vines
服务器操作软件：Lenix、os/2、windowNT、应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。

【总线分类】

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，目前的工业总线网络可归为三类：485网络、HART网络、FieldBUS现场总线网络。

485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，而且现在支持RS485的仪表又特别多。现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单， RS485的转换接口不仅便宜得而且种类繁多。至少在低端市场上，RS485/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。

HART网络：HART是由艾默生提出的一个过度性总线标准，主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号，但该协议并未真正开放，要加入他的基金会才能拿到协议，而加入基金会要一定的费用。HART技术主要被国外几家大公司垄断，近些年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很多智能仪表带有[HART圆卡]，支持HART通讯功能。但从国内情况来看，还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控，最多只是利用手操器对其进行参数设定。从长远来看，由于HART通信速率低、组网困难等原因，HART仪表的应用将呈下滑趋势。

FieldBus现场总线网络：现场总线是当今自动化领域的热点技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进，形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。然而，到目前为止，现场总线还没有形成真正统一的标准，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在，并且都有自己的生存空间。何时统一，遥遥无期。目前，支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小。

【特点优缺点】

1.特点
现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。
通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。
功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。
控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

2.优点
现场总线使自控设备与系统步入信息网络的行业，为其应用开拓了更为广阔的领域；
一堆双绞线上可接挂多了控制设备，便于节省安装费用；
节省维护开销；
提高了系统的可靠性；
为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

3.缺点

网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更为复杂，使控制系统的性能受到负面影响。

【工业以太网】

工业以太网是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计上，在实时性、可靠性、环境适应性等方面满足工业现场的需要，是继现场总线之后发展起来，最被认同也最具发展前景的一种工业通信网络。

工业以太网的本质就是以太网技术办公自动化走向工业自动化。

工业以太网与传统以太网络的比较

【操作要求】

1.工业生产环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。
2.工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆措施保证安全生产。
3.工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）等。
4.工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。
5.采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求，工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。

【主要标准】

工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和TCP/IP技术真正应用到控制层，延伸到现场层，而在信息层又尽可能采用IT行业一切有效而又最新的成果，因此，工业以太网与以太网在工业中的应用全然不是同一个概念。

1.IDA的通信结构和通信协议

DA是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，将一种实时的基于WEB的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案。

2.Ethernet/IP的通信结构和通信协议

ODVA除了拥有DviceNET和ControlNet，还控制另一个总线EtherNet/IP，它把处于应用层和用户层的DeviceNet和ControlNet的目标库CIP（包含了所有经典的PLC运算），与以太网物理介质捆绑在一起。

3.PROFlnet的通信结构和通信协议

如图，它的数据链路层采用了旨在减小处理通信栈所需时间的一种传输协议，从而极大地缩短了网络的刷新时间，确保刷新时间在5~10MS。实时通道除了可进行循环传输外，还可完成非循环（事件触发、过程数据修改、操作指令下达等）传输。同时还要加入网络管理、WEB功能，以及直接集成I/O设备等。

4.HSE的通信结构和通信协议

美国的FF（现场总线基金会）采用高速以太网开发的FCS系统控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用H1现场总线，构成信息集成开放的体系结构，HSE遵循标准的以太网规范。FF在去规范中规定了21中功能块，供基本过程控制和先进过程控制使用。这些标准功能块驻留与HSE相连的现场设备中，只要通过组态就予以链接。为进行复杂的批处理和混合控制等应用，FF还规定了柔性功能块，支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集，并可用作与PLC和其他协议通信的网间连接器，所以我们可得出这样一个结论：HSE工业以太网为连续的过程控制工业和断续的制造业所需的连续实时控制提供了各种的解决方案，它为连续过程控制系统、断续制造的控制系统、批量控制系统以及MES、ERP等企业信息管理系统的集成，提供了一种相当成熟的工业以太网的标准协议。

【应用于工业控制需要解决的问题】

工业以太网，一般来讲技术上与商业以太网兼容，但在产品设计时，在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网络。与商用以太网相比，工业以太网在以下方面具有特殊要求：
1.要求有高实时性与良好的时间确定性
2.传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁
3.容错能力强，可靠性、安全性好
4.控制网络结构具有高度分散性
5.控制网络协议简单实用，工作效率高
6.控制设备的智能化与控制功能的自治性
7.与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网络的集成
8.设备的可靠性与环境适应性
9.远距离传输
10.总线供电
11.网络安全性
12.互操作性

【优势】

1.应用广泛
以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，收到广泛的技术支持，最典型的的以太网应用形式如：Ethernet+TCP/IP+web。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发。

2.成本低廉
由于以太网的应用最为广泛，因此收到硬件开发商与生产厂商的高度重视与广泛支持，有很多硬件产品供用户选择， 而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。

3.通信速率高
目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网也开始广泛应用，1000M以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其通信速率比目前的现场总线快得多。

4.软硬件资源丰富
以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等多方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统开发和推广速度。

5.可持续发展能力强
由于以太网的广泛应用，它的反战一直得到广泛的重视和大量的技术投入，形成全球性的技术支持，并且在当前信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信网络管理，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

6.易于实现管控一体化
易于实现控制网络与信息网络的无缝集成，建立统一的企业网络，可实现嵌入式控制器，智能现场测控仪表和传感器等方便地接入以太网络，直至与Internet相连。