《过程控制仪表与计算机控制装置》课件第10章

为什么以前不用

Ethernet作现场总线EthernetEthernet产生于上个世纪七十年代为微型计算机网络终端通信而设计采用星型或总线型结构传输速率当时仅为几M（目前已达1000M甚至更高）传输介质：屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆（粗缆、细缆）CSMA/CD以太网存在所谓的“不确定性”在一般商业环境下，以太网有以下特点：总线访问存在随机性：CSMA/CD，负荷大时，网络会因碰撞增加而瘫痪响应时间无法预知，实时性得不到保证

因此以太网通信存在不确定性，在90年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环，（其实问题并没有那么严重）微处理器功能简单微处理器（单片机）作为工业现场智能仪表的核心部件，在20世纪80年代初时还处于初期发展阶段功能简单数字处理能力有限TCP（UDP）/IP协议比较复杂，早期的单片机处理有困难应用面、成本、功耗和环境等问题

应用不广，未被广泛接受，软硬件技术资源不足以太网刚产生时，成本很高功耗大、环境适应性差

——因此，与令牌网及其他专用网络比，以太网当时优势不明显，自然不会选择以太网用于现场总线Ethernet作为监控层网络已成为大势所趋负荷越小，通信响应时间越短以太网通信特性负荷越小，碰撞越少负荷在10%左右时，基本无碰撞负荷在25%以下时，以太网的通信响应时间明显短于令牌网（如ARCnet）一般商用环境下的以太网负荷瞬时流量变化大，无法预测网络负荷波动大网络节点越多，碰撞越频繁

因此在商用环境下，无通信响应实时性可言工业控制网络通信特点传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多测量、控制信息非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息需要传输的信息少网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性节点数少工控网络负荷实测例子应用实例：6000多个I/O，10M以太网正常情况下，最大负荷为6.4%组态信息传输时，最大为7.2%

—摘自浙大中控《WebFieldECS-100测试报告》以太网完全可以代替令牌网同时，可针对工业控制应用采用一些必要保证措施系统中的网络节点分布仔细设计通信流量进行控制在线网络负荷监控网络负荷优化流量控制例子一种以太网通信流量控制技术自适应确定节点数据发送的时间起点突发事件信息具有最高的总线访问优先权根据系统性能要求，优化配置网络达到冲突避免的目的ABCDABCDABCDABCD节点A网络使用时间节点A网络占用起始时刻系统扫描周期以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求以太网具有ARCnet等专用网络所无法比拟的优势：技术通用，与信息网络IT技术兼容价格低廉供应方便培训、维护简单Ethernet应用于工业自动化国内外自上世纪九十代中后期开始已将以太网应用于工业自动化基于以太网的DCSFUJI的OPENAX、浙大中控的JX-300X、Fisher-Rosemount的Delta-V等基于以太网的PLC与远程I/OMODICON、A-B、GEFanuc等基于以太网的现场仪表和仪器HP、浙大中控、NI等以太网应用于工业控制是大势所趋美国VDC（VentureDevelopmentCrop.）报告Ethernet在工业控制领域中的应用将越来越广泛市场占有率的增长也越来越快，将从2000年11%增加到2005年23%美国ARC（AutomationResearchCompany）报告今后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中、高层网络广泛采用以太网FoundationFieldbusHSEEthernet/IPPROFINetMODBUSTCPP-NETonEthernetInterbusonEthernetEthernet能不能用于

工业控制现场

背景多种现场总线难以实现透明信息互访以太网优势应用广泛软硬件成本与培训费用低、价格低廉技术资源丰富采用以太网作现场总线，可使现场总线的发展与信息网络技术的发展保持同步和较强的可持续发展能力“通信不确定性”不再是主要障碍首先，Ethernet的通信速率的提高，使数据吞吐量相同的情况下，以太网络上的碰撞机率大大下降接着，以太网交换技术的应用，大大减少端口之间的碰撞再次，全双工通信又使得交换机端口与节点终端之间两对双绞线上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突最后，IEEE802.1P&Q为报文优先级的处理提供了技术保障工业以太网什么是工业以太网技术上，工业以太网与IEEE802.3标准兼容产品设计时，在材质的选用、产品的强度和适用性方面满足工业现场需要环境适应性（机械、气候、电磁环境）能向现场设备供电安装方便可靠性技术目前Ethernet设备不符合工业现场应用要求接插件、集线器、交换机和电缆等上述问题正在迅速得到解决工业以太网设备导轨式集线器、交换机产品，并有冗余电源供电接插件采用牢固的DB-9结构如美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、JetterAG等公司工业Ethernet通信接口芯片（美国NETSilicon公司）最近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义其他可靠性技术主干网可采用光纤传输现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线对于重要的网段采用冗余网络技术工业以太网研究工业自动化开放网络联合会（IAONA，IndustrialAutomationOpenNetworkingAlliance）工业以太网协会（IndustrialEthernetAssociation）IDA（InterfaceforDistributedArchitecture)……Ethernet应用于工业现场尚需解决的问题主要问题通信实时性服务质量（QoS）总线供电技术互可操作技术网络生存性技术本质安全技术远距离传输技术网络安全技术实时通信服务质量QoS实时通信服务质量，是指以太网应用于工业控制现场时，为满足工业自动化实时控制要求，而提出的一系列通信特征需求：包括响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级等包括为紧要任务提供最低限度的性能保证（Guaranteed-Response，GR）服务为非紧要任务提供尽力（Best-Effort，BE）服务互可操作性协议以太网+TCP/IP之上尚无适用于工业现场设备之间的实时通信的技术规范与ISO/OSI的七层通信参考模型相对应，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层网络层和传输层，以TCP/IP协议为主信息网络上的现有应用层协议不适用于工业现场设备间的通信FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、HTTP（WWW协议）、SNMP（简单网络管理协议）等因此需要制定相应的标准网络可用性网络生存性，亦可称为网络可用性，是指系统中，任何一组件发生故障，都不应导致操作系统、网络、控制器和应用程序以至于整个系统的瘫痪内容包括可靠性可恢复性可管理性……网络安全与本质安全信息网络技术中的安全机制如何应用于工业现场控制？网络隔离、用户密码、数据加密、防火墙等系统安全性对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场的智能装备以及通信设备，如何采取防爆措施来保证工业现场的安全生产隔爆（如增安、气密、浇封等）本质安全e网到底的意义什么是“e网到底”？

控制层网络管理层网络远程节点Web服务器

操作站

工程师站

现场设备层网络以太网冗余以太网EPA“e网到底”能带来什么好处享受现场总线技术的一切好处包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集成权等。具有很