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Ethernet 與現場總線器

1 引 言
  二十一世紀是信息經濟的時代。隨著計算機技術、信息技術的飛速發展,全球市場進一步形成,競爭也空前加劇,產品技術含量更高、換代時間更短。處于全球市場之中的工業生產為了適應市場競爭的需要,在追求競爭力的過程中逐漸形成了計算機集成制造系統。計算機集成制造系統采用系統集成、信息集成的觀點組織生產,把市場、生產計劃、制造過程、企業管理、售后服務看作要統一考慮的生產過程,并采用計算機、自動控制、網絡通信等技術來實現整個過程的綜合自動化,以改善生產加工、管理決策等。為了實現這個目標,必須要將企業內現場控制、過程監控、經營管理、市場管理等各層次智能設備互聯成綜合自動化網絡,實現各層次的住處匯通和數據共享,即實現工業企業的“管控一體化”。
  為此,企業首先必須對各種企業資源建立完善的管理網絡,使各方面資源充分調配、平衡和控制,最大限度地發揮其能力;其次,必須形成市場、經營、生產和研發之間緊密的協作鏈。

   工業控制網絡作為工業企業綜合自動化系統的基礎,從結構上看可分為三個層次:即管
理層、監控層和現場設備層。如圖一所示。其中,最上層的企業管理層網絡,主要用于企業
的計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業的經營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端
設備之間一般以發送電子郵件、下載網頁、數據庫查詢、打印文檔、讀取文件服務器上的計
算機程序等方式進行信息的交換,數據報文通常都比較長,吞吐量較大,而且數據通信的發
起是隨機的、無規則的,因為要求網絡必須具有較大的帶寬。管理層網絡主要由快速Ether
net(100M、1G、10G等)組成。中間的制造執行層網絡主要用于監控、優化、調度等方面信息
的傳輸,其特點是信息傳輸具有一定的周期性和實時性,數據吞吐量較大,因此要求網絡具
有較大的帶寬,以前由專用網絡如令牌網組成,召集這一層網絡則 主要由傳輸速率較高的
網段(如10M、100MEthernet等)組成。
  而最底層的現場設備層網絡,與變送器、執行機構等現場設備相連,采集現場數據,并將控制數據送入設備。它與以傳遞信息為主要目標的郵電通信技術以及其它信息網絡技術相比,具有一些特殊性。由于工業自動控制網絡通信的最終目的是通過傳遞測量和控制數據及相關信息,產生或引發物質或能量的運動和轉換,因此這種網絡通信技術具有以下特殊性:
  ① 數據傳輸的及時性和系統響應的實時性:通常,制造自動化系統的響應時間要求在0.01~0.5s,過程控制系統的響應時間為0.5~2S。而信息網絡的響應時間則是2~6S。顯然,工業通信網絡的實時性要求高得多。
  ② 高可靠性:工業通信網絡強調在工業環境下數據傳送的完整性,對于工作在環境惡劣的工業生產現場的通信網絡,必須解決環境適應性問題它包括電磁 環境適應性或電磁兼容性EMC、氣候環境適應性(要耐溫、防水、防塵)、機械環境適應性(要耐沖擊、耐振動)。在易爆或可燃的場合,它應具有本質安全的性能。
  ③ 工業通信網絡需要解決不同廠商的產品和系統在網絡上相互兼容 的問題,強調 互可操作性,因此它在現代通信系統所基于的ISO/OSI“開放系統互連的參考模型”上,加了用戶層,通過標準功能塊和裝置描述(DD)功能來解決這種完整的開放性通信。
  ④ 總線供電。工業現場控制網絡不僅能傳輸通信信息,而且要能夠為現場設備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮,同時總線供電還能減少線纜,降低布線成本。
  ⑤ 廣播、多播與單播通信方式:工業通信網絡把公散的單一用戶(變送器、執行器、控制器或控制系統等)接入某個系統,其通信方式常使用廣播方式、多組方式或基于客戶/服務器的單播方式。在IT網絡中一個自主系統與另一個自主系統只在需要通信時建立一對一的方式。
  ⑥ 現場控制層設備間傳輸的信息長度都比較小。這些信息包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點與量程調校信息等。其長度一般都比較小,通常僅為幾位(bit)或幾個、十幾、幾十個字節(byte),對網絡傳輸的吞吐量要求不高。
  正是由于以上特點和特殊性,目前現場設備層網絡主要由低速現場總線網絡(如FF、Profibus、 DeviceNet等)組成。

  2、現場總線的產生與發展回顧
  所謂現場總線,按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義,是指安裝在制造或過程區域的現場裝置之間、以及現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線。以現場總線為基礎而發展起來的全數字控制系統稱作現場控制系統(FCS)。
現場總線的生產是多方面因素共同作用的結果。
  現場總線的生產首先反映了儀器儀表本身發展的需要。儀器儀表的發展經歷了全模擬式儀表、智能儀表、具有通信功能的智能儀表、現場總線儀表等幾個階段。其中,全模擬式儀表是將傳感器信號進行調理放大后,經過V/I電路轉換,輸出4~20mA或0~5V的模擬信號,(如圖2(a)所示)。其后隨著計算機技術的發展,微處理器在儀器儀表中得到了廣泛應用,過程變量經調理放大、A/D采樣,轉換為數字信號,并經過微處理器的運算、補償等處理后,再通過D/A、V/I等電路,仍然以4~20mA或0~5V的模擬信號輸出(如圖2(b)所示),這種智能儀表相對于全模擬儀表來講,測量精度得到大大提高,但信號傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾,傳輸精度和可靠性都不高。于是,人們在儀器儀表中增加了通信接口(如RS232/485等),以數字通信的方式代替模擬信號傳輸(如圖2(c)所示)。但由于這些通信標準只規定了物理層上的電氣特性,而對于數據鏈路層及其以上各高層協議規范,則沒有統一定義,致使不同生產廠家的儀器儀表由于通信協議的專有與不兼容而無法實現相互之間的信息互訪。為解決這個問題,必須使這些網絡的通信標準進行統一,組成開放互連系統,于是就產生了現場總線。其次,現場總線的產生也反映了企業管控一體化信息集成的要求。
  因此,從20世紀80年代開始,各種現場總線相繼產生,其中主要的有:基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制局域網絡CAN(Controller Area Network)、局部操作網絡Lon Works(Local Operating Network)、過程現場總線PROFIBUS(Process FieldBus)和HART協議(Highway Addressable Remote Transducer)以及DeviceNet、ControlNet、P-NET,等等。
  面對如此之多的現場總線,用戶如何選擇?為解決這個問題,國際電工委員會IEC在1984年就開始籌備制定單一現場總線國際標準。然而,由于行業與地域發展等歷史原因,加上各公司和企業集團受自身利益的驅使,圍繞著現場總線技術的標準進行了一場大戰,最后經過多方妥協,于1999年年底通過了包含FF、Profibus等八種總線在內的IEC61158,沒有實現制定單一標準的目標。這個結局表明,在今后相當長一段時間內多種現場部線將并存,控制網絡的系統集成與信息集成會面臨復雜的局面。無論是最終用戶還是制造商,普遍都在關注現場總線技術的發展新動向,都有在尋求高性能低成本的解決方案。
在各種現場總線的競爭中,以Ethernet為代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技術正成為現場總線發展中新的亮點。

  3、為什么以前不用Ethernet作現場總線?
  Ethernet(Ethernet)最初是在1973年由Dr Robert Metcacfe領導的小組在Xerox Palo Aleto Research Park研制出來的,應用于微型計算機系統商業網絡終端。后幾經修改,1983年出版了的IEEE802.3標準,它和1985年發布的ISO8802.3標準是相同的。
  Ethernet采用星型或總線型結構,傳輸速率為10M、100M、1000M甚至更高,傳輸介質為屏蔽(非屏蔽)雙絞線、光纖、同軸電纜等。
Ethernet區別于其他網絡(如令牌網、令牌環網、主從式網絡等)的重要特點是,它采用的介質訪問控制方法—CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,沖突檢測載波監聽多點訪問)是一種非確定性或隨機性通信方式。其基本工作原理是:某節點要發送報文時,首先監聽網絡,如網絡忙,則等到其空閑為止,否則將立即發送,并同時繼續監聽網絡;如果兩個或更多的節點監聽到網絡空閑并同時發送報文時,將發生碰撞,同時節點立即停止發送,并等待一段隨機長度的進間后重新發送。16次碰撞后,控制器將停止發送并向節點微處理器回報失敗信息。
  在網絡負荷較高時,Ethernet上存在的這種碰撞成了主在的問題,因為它極大地影響了Ethernet的數據吞吐量和傳輸延時,并導致Ethernet實際性能的下降。由于在一系列碰撞后,報文可能會丟失,因此節點與節點之間的通信將無法得到保障。Ethernet的這種CSMA/CD介質訪問機制導致了網絡傳輸延時和通信響應的“不確定性”。
  而對于工業現場控制網絡,Ethernet的這種通信“不確定性”會導致通信延遲的“不確定性”,并導致系統控制性能下降,控制效果不穩定,甚至會引起系統振蕩;在有緊急事件信息需要發送時,還會因報警信息不能及時得到響應,而導致災難事件的發生,并成了它應用于工業控制網絡的主要障礙。
  Ethernet沒有用于現場總線的另外一個重在原因是,作為工業現場智能設備的核心組成部分—微處理器,在20世紀80年代時還處于初期發展階段,功能簡單,數字處理力不強,不能處理Ethernet上“捆綁”使用的TCP/IP協議。

  4、Ethernet正逐漸進入工業控制領域
  盡管Ethernet是一種隨機性網絡,但由于其技術比較簡單、完全公開,能很快被大家接受,通過不斷改進、提升,市場占有率(特別是辦公自動化OA領域的市場占有率)越來越大,而成本卻越來越低,進而變成主流,即使IBM力推Token Ring(令牌環網)架構也已難擋此潮流。據VDC調查報告,如今已有約93%以上的網絡節點具有Ethernet接口。
  那么,Ethernet能不能應用于工業控制領域呢?
  我們知道,令牌總線控制方式在工業控制領域應用得較多,其特點是,網絡上各工作站對總線的控制權是由令牌來控制的。收到令牌的節點在一段規定時間內擁有網絡傳輸介質的控制訪問權,并向網絡上發送一幀或多幀信息,當該站傳輸已經完成或它占用網絡的規定時間到時,它就將令牌傳遞到下一邏輯站。因此,傳輸過程就是由交替進行的數據傳輸階段和令牌傳送階段組成。由于令牌傳遞時間、擁有令牌的節點占用網絡控制權的時間是預先規定好的,在網絡節點數量一定的情況下,每個網絡節點的信息發送的時間是可以預先估計出來的,因此,令牌網又稱為“確定性”網絡。顯然,這種確定性的比較適合通信確定性和響應實時性要求較高的工業控制系統中應用。其中Arcnet網絡就是比較著名的令牌總線之一,傳輸速率為2.5Mbps,數據幀長度最大為508字節,可使用電纜、雙絞線和光纖等傳輸介質。
  可以發現,在負荷較輕時,Ethernet網絡的響應速度明顯大于Arcnet網絡,但隨著
負荷的增加Ethernet網絡的響應速度就急劇下降,而Arcnet網絡卻下降得非常緩慢。這
是因為,當負荷輕時,Ethernet網絡的節點發送數據時發生碰撞的概率很低,幾乎可以
隨時發送,而Arcnet網絡則必需要有令牌才能發送,當然沒有Ethernet網快。但當負荷
很重時,Ethernet網的碰撞概率急劇增加,這就象一群人亂哄哄的擠一個門,這群人要
完全進入門中,得花費很長時間。而Arcnet則象一群人排隊進一個門,其進入速度肯定
比前者快。
  同時,也可看出,當網絡負荷低于25%時,Ethernet網的響應速度要比Arcnet網要
快。這典型的工業控制系統應用中,通信峰值負荷為10M Ethernet的5%,100M Ethernet
網絡中的負荷為0.5%。如果通過仔細設計,對系統中的網絡節點數量和通信流量進行控制,
使網絡負荷低于10%,完全可以采用Ethernet網來取代Arcnet網等令牌網。
  事實上,由于以太網接口芯片已非常普遍,價格低廉,已從OA領域逐漸擴展到FA(工
廠自動化)領域,目前幾乎所有遠程I/O和控制器的均能提供一個支持TCP/IP的Ethernet
接口。與此同時,Ethernet也成現場總線技術發展的新趨勢,并被作為各種現場總線的高速組成部分,如HSE(High Speed Ethernet),Profibus 國際(Profibus International,PI)的 ProfiNet、 ControlNet 國際(ControlNet International,CI)和開放設備網制造商協會(Open DeviceNet Vendor Association,ODVA)的Ethernet/IP,MODBUS用戶集團的MODBUS/TCP等等,但這些協議還主要應 用于控制系統的中、上層設備間的通信。另外,據美國權威調查機構ARC(Automation Research Company)報告指出,今后Ethernet不僅繼續壟斷商業計算機網絡通信和工業控制系統的上層網絡通信市場,也必將領導未來現場總線的發展,Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協議。美國VDC(Venture Development Crop.)調查報告也指出,Ethernet在工業控制領域中的應用將越來越廣泛,市場占有率的增長也越來越快,將從2000年11%增加到2005年的23%。

來源:      時間:2011/3/30 9:10:45
 
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