Ethernet 与现场总线器
                金建祥 ( 工业控制技术国家重点实验室；浙江浙大中控技术有限公司  )

 
　　1 引 言
　　二十一世纪是信息经济的时代。随着计算机技术、信息技术的飞速发展，市场进一步形成，竞争也加剧，产品技术含量更高、换代时间更短。处于市场之中的工业生产为了适应市场竞争的需要，在追求竞争力的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。计算机集成制造系统采用系统集成、信息集成的观点组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。为了实现这个目标，必须要将企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次智能设备互联成综合自动化网络，实现各层次的住处汇通和数据共享，即实现工业企业的“管控一体化”。
　　为此，企业首先必须对各种企业资源建立完善的管理网络，使各方面资源充分调配、平衡和控制，zui大限度地发挥其能力；其次，必须形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链。

   工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管
理层、监控层和现场设备层。如图一所示。其中，zui上层的企业管理层网络，主要用于企业
的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。管理层上各终端
设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计
算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发
起是随机的、无规则的，因为要求网络必须具有较大的带宽。管理层网络主要由快速Ether
net(100M、1G、10G等)组成。中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息
的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具
有较大的带宽，以前由网络如令牌网组成，召集这一层网络则 主要由传输速率较高的
网段（如10M、100MEthernet等）组成。
　　而zui底层的现场设备层网络，与变送器、执行机构等现场设备相连，采集现场数据，并将控制数据送入设备。它与以传递信息为主要目标的邮电通信技术以及其它信息网络技术相比，具有一些特殊性。由于工业自动控制网络通信的zui终目的是通过传递测量和控制数据及相关信息，产生或引发物质或能量的运动和转换，因此这种网络通信技术具有以下特殊性：
　　① 数据传输的及时性和系统响应的实时性：通常,制造自动化系统的响应时间要求在0.01~0.5s,过程控制系统的响应时间为0.5~2S。而信息网络的响应时间则是2~6S。显然，工业通信网络的实时性要求高得多。
　　② 高可靠性：工业通信网络强调在工业环境下数据传送的完整性，对于工作在环境恶劣的工业生产现场的通信网络，必须解决环境适应性问题它包括电磁 环境适应性或电磁兼容性EMC、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，它应具有本质安全的性能。
　　③ 工业通信网络需要解决不同厂商的产品和系统在网络上相互兼容 的问题，强调 互可操作性，因此它在现代通信系统所基于的ISO/OSI“开放系统互连的参考模型”上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来解决这种完整的开放性通信。
　　④ 总线供电。工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。
　　⑤ 广播、多播与单播通信方式：工业通信网络把公散的单一用户（变送器、执行器、控制器或控制系统等）接入某个系统，其通信方式常使用广播方式、多组方式或基于客户/服务器的单播方式。在IT网络中一个自主系统与另一个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式。
　　⑥ 现场控制层设备间传输的信息长度都比较小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小，通常仅为几位（bit）或几个、十几、几十个字节(byte)，对网络传输的吞吐量要求不高。
　　正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如FF、Profibus、 DeviceNet等）组成。

　　2、现场总线的产生与发展回顾
　　所谓现场总线，按照电工委员会IEC/SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（FCS）。
现场总线的生产是多方面因素共同作用的结果。
　　现场总线的生产首先反映了仪器仪表本身发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过V/I电路转换，输出4~20mA或0~5V的模拟信号，（如图2（a）所示）。其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、A/D采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过D/A、V/I等电路，仍然以4~20mA或0~5V的模拟信号输出（如图2（b）所示），这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口（如RS232/485等），以数字通信的方式代替模拟信号传输（如图2（c）所示）。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次，现场总线的产生也反映了企业管控一体化信息集成的要求。
　　因此，从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络Lon Works(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS（Process FieldBus）和HART协议（Highway Addressable Remote Transducer）以及DeviceNet、ControlNet、P-NET,等等。
　　面对如此之多的现场总线，用户如何选择？为解决这个问题，电工委员会IEC在1984年就开始筹备制定单一现场总线标准。然而，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，围绕着现场总线技术的标准进行了一场大战，zui后经过多方妥协，于1999年年底通过了包含FF、Profibus等八种总线在内的IEC61158，没有实现制定单一标准的目标。这个结局表明，在今后相当长一段时间内多种现场部线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临复杂的局面。无论是zui终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展新动向，都有在寻求高性能低成本的解决方案。
在各种现场总线的竞争中，以Ethernet为代表的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。

　　3、为什么以前不用Ethernet作现场总线？
　　Ethernet（Ethernet）zui初是在1973年由Dr Robert Metcacfe领导的小组在Xerox Palo Aleto Research Park研制出来的，应用于微型计算机系统商业网络终端。后几经修改，1983年出版了的IEEE802.3标准，它和1985年发布的ISO8802.3标准是相同的。
　　Ethernet采用星型或总线型结构，传输速率为10M、100M、1000M甚至更高，传输介质为屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆等。
Ethernet区别于其他网络（如令牌网、令牌环网、主从式网络等）的重要特点是，它采用的介质访问控制方法—CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，冲突检测载波监听多点访问）是一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的进间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。
　　在网络负荷较高时，Ethernet上存在的这种碰撞成了主在的问题，因为它极大地影响了Ethernet的数据吞吐量和传输延时，并导致Ethernet实际性能的下降。由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。Ethernet的这种CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。
　　而对于工业现场控制网络，Ethernet的这种通信“不确定性”会导致通信延迟的“不确定性”，并导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生，并成了它应用于工业控制网络的主要障碍。
　　Ethernet没有用于现场总线的另外一个重在原因是，作为工业现场智能设备的核心组成部分—微处理器，在20世纪80年代时还处于初期发展阶段，功能简单，数字处理力不强，不能处理Ethernet上“捆绑”使用的TCP/IP协议。

　　4、Ethernet正逐渐进入工业控制领域
　　尽管Ethernet是一种随机性网络，但由于其技术比较简单、*公开，能很快被大家接受，通过不断改进、提升，*（特别是办公自动化OA领域的*）越来越大，而成本却越来越低，进而变成主流，即使IBM力推Token Ring（令牌环网）架构也已难挡此潮流。据VDC调查报告，如今已有约93%以上的网络节点具有Ethernet接口。
　　那么，Ethernet能不能应用于工业控制领域呢？
　　我们知道，令牌总线控制方式在工业控制领域应用得较多，其特点是，网络上各工作站对总线的控制权是由令牌来控制的。收到令牌的节点在一段规定时间内拥有网络传输介质的控制访问权，并向网络上发送一帧或多帧信息，当该站传输已经完成或它占用网络的规定时间到时，它就将令牌传递到下一逻辑站。因此，传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。由于令牌传递时间、拥有令牌的节点占用网络控制权的时间是预先规定好的，在网络节点数量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出来的，因此，令牌网又称为“确定性”网络。显然，这种确定性的比较适合通信确定性和响应实时性要求较高的工业控制系统中应用。其中Arcnet网络就是比较的令牌总线之一，传输速率为2.5Mbps,数据帧长度zui大为508字节，可使用电缆、双绞线和光纤等传输介质。
  可以发现，在负荷较轻时，Ethernet网络的响应速度明显大于Arcnet网络，但随着
负荷的增加Ethernet网络的响应速度就急剧下降，而Arcnet网络却下降得非常缓慢。这
是因为，当负荷轻时，Ethernet网络的节点发送数据时发生碰撞的概率很低，几乎可以
随时发送，而Arcnet网络则必需要有令牌才能发送，当然没有Ethernet网快。但当负荷
很重时，Ethernet网的碰撞概率急剧增加，这就象一群人乱哄哄的挤一个门，这群人要
*进入门中，得花费很长时间。而Arcnet则象一群人排队进一个门，其进入速度肯定
比前者快。
　　同时，也可看出，当网络负荷低于25%时，Ethernet网的响应速度要比Arcnet网要
快。这典型的工业控制系统应用中，通信峰值负荷为10M Ethernet的5%，100M Ethernet
网络中的负荷为0.5%。如果通过仔细设计,对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制,
使网络负荷低于10%,*可以采用Ethernet网来取代Arcnet网等令牌网。
　　事实上，由于以太网接口芯片已非常普遍，价格低廉,已从OA领域逐渐扩展到FA（工
厂自动化）领域，目前几乎所有远程I/O和控制器的均能提供一个支持TCP/IP的Ethernet
接口。与此同时，Ethernet也成现场总线技术发展的新趋势，并被作为各种现场总线的高速组成部分，如HSE（High Speed Ethernet），Profibus (Profibus International,PI)的 ProfiNet、 ControlNet （ControlNet International,CI）和开放设备网制造商协会（Open DeviceNet Vendor Association,ODVA）的Ethernet/IP，MODBUS用户集团的MODBUS/TCP等等，但这些协议还主要应 用于控制系统的中、上层设备间的通信。另外，据美国调查机构ARC（Automation Research Company）报告指出，今后Ethernet不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国VDC（Venture Development Crop.）调查报告也指出，Ethernet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，*的增长也越来越快，将从2000年11%增加到2005年的23%。