以太网在自动化领域应用现状与展望

1、中国现场总线中国现场总线PROFIBUS技术中心技术中心中国中国PROFIBUSBUS产品测试实验室产品测试实验室唐济扬唐济扬231. 以太网在自动化领域应用现状以太网在自动化领域应用现状以太网、以太网、IEEE 802.3、TCP/IP协议？协议？4以太网以太网？5IEEE 802.3物理层媒体接入控制MAC逻辑链路控制LLC服务访问点SAP物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层OSI参考模型参考模型IEEE 802参考模型参考模型图图1：IEEE 802参考模型相当于参考模型相当于OSI模型的最低两层模型的最低两层6IEEE 802.3 1983年：年：IEEE 802 委员会以美

2、国施乐委员会以美国施乐(Xerox)公司公司+数字装备公司数字装备公司(Digital)+英特尔英特尔(Intel)公司提交的公司提交的DIX Ethernet V2为基础，推出了为基础，推出了IEEE802.3 IEEE802.3的技术特点：采用的技术特点：采用CSMA/CD (载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检冲突检测测)作为作为IEEE802.3的介质访问控制技术。因此，的介质访问控制技术。因此， IEEE802.3又称为又称为具有具有CSMA/CD的网络。的网络。7与与IEEE 802 有关的其它网络协议：有关的其它网络协议：IEEE 802.1概述、体系结构和网络互连，以及网络

3、管理和性能测量。概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。IEEE 802.2逻辑链路控制逻辑链路控制LLC。最高层协议与任何一种局域网最高层协议与任何一种局域网MAC子层子层的接口。的接口。IEEE 802.3CSMA/CD网络，定义网络，定义CSMA/CD总线网的总线网的MAC子层和物理层子层和物理层的规范。的规范。IEEE 802.4令牌总线网。定义令牌传递总线网的令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规子层和物理层的规范。范。IEEE 802.5令牌环形网。定义令牌传递环形网的令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规子层和物理层的规范。范。IEEE

4、802.6城域网。城域网。IEEE 802.7宽带技术。宽带技术。IEEE 802.8光纤技术。光纤技术。IEEE 802.9综合话音数据局域网。综合话音数据局域网。IEEE 802.10可互操作的局域网的安全。可互操作的局域网的安全。IEEE 802.11无线局域网。无线局域网。IEEE 802.12优先高速局域网优先高速局域网(100Mb/s)。IEEE 802.13有线电视有线电视(Cable-TV8TCP/IP ？TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一组通信协议。是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一组通信协议。TCP/IP协议组的准确名称应该是协议组的准确名称应该

5、是internet（互连网）互连网）协议族，协议族，TCP和和IP是其是其中两个协议。而中两个协议。而internet协议族协议族TCP/IP还包含了与这两个协议有关的其它协还包含了与这两个协议有关的其它协议及网络应用，如用户数据报协议（议及网络应用，如用户数据报协议（UDP）、）、地址转化协议（地址转化协议（ARP）和互连和互连网控制报文协议（网控制报文协议（ICMP）。）。由于由于TCP/IP是是internet采用的协议组，所以将采用的协议组，所以将TCP/IP体系结构称作体系结构称作internet体系结构。体系结构。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图2：TCP/IP技术支持各种局域网络协议10以太网？以太网？IEEE 802.3？TCP/IP?11CSMA/CD、12自动化技术发展需求：从单机控制向工厂自动化自动化技术发展需求：从单机控制向工厂自动化FAFA、系统系统自动化方向发展。自动化方向发展。工厂自动化工厂自动化FA

7、FA要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。透明通信。ERPERP* *MESMES* *AutomationAutomation* *图1：现代制造业自动化模型ERPERP* *-Enterprise Resource Plan -Enterprise Resource Plan 企业企业资源计划资源计划MESMES* *- Manufactory Execution - Manufactory Execution SytemSytem制制造执行系统造执行系统AutomationAutomation* *-车间底层的设备自动化车间底层的设备自动化

8、1314 IBM CompatibleASCII PrinterPlotterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工厂管理级工厂骨干网车间监控网车间监控级现场级网络现场设备级15工厂管理层生产控制层自动化层从工厂管理层到自动化层从工厂管理层到自动化层的数据存取的数据存取16现场总线现场总线( (FeildBusFeildBus)”)”: :连接工厂底层设备之间的数字通信网络连接工厂底层设备之间的数字通信网络. .1718总线循环时间 1000 ms工厂级现场级总线循环时间 10 msMMS, TCP/IP Backbone驱动器现场设备传感器PROFI

9、BUS-DP变送器PROFIBUS-PAVME/PC输入输出现场总线现场总线PROFIBUS区域控制器区域控制器车间级总线循环时间 100 msCNCPLCPLSPC/VMEHostPROFIBUS-FMS现场设备一个车间的现场总线应用方案一个车间的现场总线应用方案-两级网络结构两级网络结构PROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DP2084年年IEC提出制定现场总线技术标准；提出制定现场总线技术标准；IEC1158IEC1158的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准 Indu

10、strial Automation Process Control Factory AutomationContinuousProcessControlBatchProcessControlMaterialsHandlingControlRoboticsNumericalControl2122IEC 61158IEC 61158发展历程告诉我们：发展历程告诉我们：I I、工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线

11、技术标准共存的算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。现实世界。IIII、技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的妥技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。协产物。232425车间级生产信息集成：车间级生产信息集成：主要由专用生产设备、专用测试设备、主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、条码器、PC机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。息及产品质量信息的管理。管理层信息网络：

12、管理层信息网络：即支撑工厂管理层即支撑工厂管理层MIS系统的计算机网络。主系统的计算机网络。主要完成如要完成如ERP的信息系统。的信息系统。SCADA系统：系统：特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术的线通信技术的SCADA系统，如城市供水或污水管网的系统，如城市供水或污水管网的SCADA系统、系统、水利水文信息监测水利水文信息监测SCADA系统等系统等。个别的控制系统网络：个别的控制系统网络：个别要求高可靠性和一定实时性的分布个别要求高可靠性和一定实时性的分布式控制系统也采用以太网式控制系统也采用以太网+TCP/IP技术，并获得很好

13、的效果；如发电技术，并获得很好的效果；如发电厂的计算机监控系统。厂的计算机监控系统。2627技术比较：以太网能否取代现场总线成为技术比较：以太网能否取代现场总线成为 连接设备层的通信网络？连接设备层的通信网络？2.1 2.1 物理层物理层现场总线现场总线: : 屏蔽双绞电缆屏蔽双绞电缆, , 光纤光纤, , 同轴电缆同轴电缆, , 无线传输的解决方案无线传输的解决方案, , 各种防护等级工业级的接插件各种防护等级工业级的接插件; ; 特点特点: : 工业级标准、防爆及本征安全、总线供电。工业级标准、防爆及本征安全、总线供电。以太网以太网: : 五类线五类线, , 光纤光纤, , 同轴电缆等解决

14、方案。同轴电缆等解决方案。特点特点: : ITIT行业标准行业标准282.22.2介质访问控制方式介质访问控制方式现场总线：现场总线：令牌、主从、令牌、主从、producer/consumerproducer/consumer特点特点: :满足工业控制网络的要求：通信的实时性和确定性满足工业控制网络的要求：通信的实时性和确定性; ; 以太网以太网: :CSMA/CD(CSMA/CD(载波监听多路访问载波监听多路访问/ /冲突检测冲突检测) )、 数据交换技术数据交换技术. .特点特点: :大数据量、宽带大数据量、宽带292.3 2.3 自动化设备行规自动化设备行规为实现各种现场设备互联定义的信

15、息规范。为实现各种现场设备互联定义的信息规范。PROFIBUSPROFIBUS行规：行规： NC/RC NC/RC行规行规 ( (机器人、数控行规机器人、数控行规) ) 各种速度驱动器的行规各种速度驱动器的行规操作员控制和过程监视操作员控制和过程监视 ( (HMI) HMI) 行规行规对编码器的行规对编码器的行规 控制器间通信的行规控制器间通信的行规 楼宇自动化的行规楼宇自动化的行规 低压开关装置的行规低压开关装置的行规 温度、压力、液位、流量变送器和定位器等行规温度、压力、液位、流量变送器和定位器等行规3031（1）改造物理层）改造物理层: 各种防护等级电缆和工业级的接插件各种防护等级电缆和

16、工业级的接插件 难点：总线供电、本征安全难点：总线供电、本征安全（2）介质访问控制方式）介质访问控制方式CSMA/CD (载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测冲突检测)实时性？确定性？实时性？确定性？增加带宽能解决问题？增加带宽能解决问题？软件解决？软件解决？硬件解决？硬件解决？-能走多远能走多远?323334（1 1）艰难的预测：市场与技术究竟谁怕谁？）艰难的预测：市场与技术究竟谁怕谁？ 技术比较：技术比较： 以太网：适合以太网：适合ITIT行业的技术并在行业的技术并在ITIT行业中获得成功；行业中获得成功； 现场总线：专为工业自动化设计；现场总线：专为工业自动化设计； 市场的决定作用：市场的决定作用： 以史为鉴：以史为鉴：UNIXUNIX、 OS2 OS2、DOS/WINDOWSDOS/WINDOWS、高级语言：、高级语言： 战略决策：战略决策：3536(1) (1) 车间级生产信息集成更适合使用以太网车间级生产信息集成更适合使用以太网 设备具有设备具有RS-232RS-232接口接口: :如条码机如条码机, , 专用工设备专用工设备; ; 实时性实时性, , 确定性确定性, , 可靠性要求不高可靠性要求不高; ; 与上层网络的信息规范和软件接口兼容；与上层网络的信息规范和软件接口兼容；(2) (2) 现场总线在设备级控制系统中有很大优势现场总线