工業(yè)以太網(wǎng)簡介

第6頁共17頁工業(yè)以太網(wǎng)簡介： 工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3(Ethernet)的強大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATICNET提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。 企業(yè)內部互聯(lián)網(wǎng)(Intranet)，外部互聯(lián)網(wǎng)(Extranet)，以及國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)提供的廣泛應用不但已經(jīng)進入今天的辦公室領域，而且還可以應用于生產和過程自動化。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運行之后，具有交換功能，全雙工和自適應的100M波特率快速以太網(wǎng)(FastEthernet，符合IEEE802.3u的標準)也已成功運行多年。采用何種性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要。通用的兼容性允許用戶無縫升級到新技術。為用戶帶來的利益：市場占有率高達80%，以太網(wǎng)毫無疑問是當今LAN(局域網(wǎng))領域中首屈一指的網(wǎng)絡。以太網(wǎng)優(yōu)越的性能，為您的應用帶來巨大的利益：通過簡單的連接方式快速裝配。通過不斷的開發(fā)提供了持續(xù)的兼容性，因而保證了投資的安全。通過交換技術提供實際上沒有限制的通訊性能。各種各樣聯(lián)網(wǎng)應用，例如辦公室環(huán)境和生產應用環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)。通過接入WAN(廣域網(wǎng))可實現(xiàn)公司之間的通訊，例如，ISDN或Internet的接入。SIMATICNET基于經(jīng)過現(xiàn)場應用驗證的技術,SIMATICNET已供應多于400,000個節(jié)點，遍布世界各地，用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強度電磁干擾的區(qū)域。工業(yè)以太網(wǎng)絡的構成：一個典型的工業(yè)以太網(wǎng)絡環(huán)境，有以下三類網(wǎng)絡器件：◆網(wǎng)絡部件連接部件：FC快速連接插座ELS(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)ESM(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)SM(工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機)MCTP11(工業(yè)以太網(wǎng)光纖電氣轉換模塊)通信介質：普通雙絞線，工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖◆SIMATICPLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器。用于將SIMATICPLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)?！鬚G/PC上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器。用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)重要性能：為了應用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，確保工業(yè)應用的安全可靠，SIMATICNET為以太網(wǎng)技術補充了不少重要的性能：工業(yè)以太網(wǎng)技術上與IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP通訊協(xié)議10/100M自適應傳輸速率冗余24VDC供電簡單的機柜導軌安裝方便的構成星型、線型和環(huán)型拓撲結構高速冗余的安全網(wǎng)絡，最大網(wǎng)絡重構時間為0.3秒用于嚴酷環(huán)境的網(wǎng)絡元件，通過EMC測試通過帶有RJ45技術、工業(yè)級的Sub-D連接技術和安裝專用屏蔽電纜的FastConnect連接技術，確?，F(xiàn)場電纜安裝工作的快速進行簡單高效的信號裝置不斷地監(jiān)視網(wǎng)絡元件符合SNMP(簡單的網(wǎng)絡管理協(xié)議)可使用基于web的網(wǎng)絡管理使用VB/VC或組態(tài)軟件即可監(jiān)控管理網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)冗余原理1、引言 在一個橋接的局域網(wǎng)里，為了增強可靠性，必然要建立一個冗余的路徑，網(wǎng)段會用冗余的網(wǎng)橋連接。但是，在一個透明橋橋接的網(wǎng)絡里，存在冗余的路徑就能建立一個橋回路，橋回路對于一個局域網(wǎng)是致命的。它會帶來如下問題：A.廣播風暴B.同一幀的多份拷貝C.不穩(wěn)定的MAC地址表 因此，在交換網(wǎng)絡中必須有一個機制來阻止回路。2、生成樹協(xié)議 生成樹協(xié)議就是IT界中常用的機制.生成樹協(xié)議是一種橋嵌套協(xié)議，在IEEE802.1d規(guī)范里定義，可以用來消除橋回路。它的工作原理是這樣的：生成樹協(xié)議定義了一個數(shù)據(jù)包，叫做橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU（BridgeProtocolDataUnit）。網(wǎng)橋用BPDU來相互通信，并用BPDU的相關機能來動態(tài)選擇根橋和備份橋。但是因為從中心橋到任何網(wǎng)段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。 在一個生成樹環(huán)境里，橋不會立即開始轉發(fā)功能，它們必須首先選擇一個橋為根橋，然后建立一個指定路徑。在一個網(wǎng)絡里邊擁有最低橋ID的將變成一個根橋，全部的生成樹網(wǎng)絡里面只有一個根橋。根橋的主要職責是定期發(fā)送配置信息，然后這種配置信息將會被所有的指定橋發(fā)送。這在生成樹網(wǎng)絡里面是一種機制，一旦網(wǎng)絡結構發(fā)生變化，網(wǎng)絡狀態(tài)將會重新配置。 當選定根橋之后，在轉發(fā)數(shù)據(jù)包之前，它們必須決定每一個網(wǎng)段的指定橋，運用生成樹的這種算法，根橋每隔2秒鐘從它所有的端口發(fā)送BPDU包，BPDU包被所有的橋從它們的根端口復制過來，根端口是接根橋的那些橋端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，網(wǎng)絡管理員分配端口的COST到所有的橋端口，當根橋發(fā)送BPDU的時候，根橋設置它的端口值為零。然后沿著這條路徑，下一個橋增加它的配置端口COST為一個值，這個值是它接收和轉發(fā)數(shù)據(jù)包到下一個網(wǎng)段的值。這樣每一個橋都增加它的端口的COST值為它所接收的BPDU的包的COST值，所有的橋都檢測它們的端口的COST值，擁有最低端口的COST值的橋就變?yōu)榱酥付ǖ臉颉碛斜容^高端口COST值的橋置它的端口進入阻塞狀態(tài)，變?yōu)榱藗浞輼颉Ｔ谧枞麪顟B(tài)，一個橋停止了轉發(fā)，但是它會繼續(xù)接收和處理BPDU數(shù)據(jù)包。 IEEE802.1D規(guī)范包括了生成樹算法（SpanningTreeAlgorithm，STA），這是一種確保轉發(fā)循環(huán)永遠不會發(fā)生的機制。STA使用網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BridgeProtocolDataUnits，BPDU），自動配置網(wǎng)橋上處于轉發(fā)或阻塞狀態(tài)的獨立端口。BPDU是網(wǎng)橋發(fā)送到一個已保存的多播MAC地址（對于以太網(wǎng)，這個地址是01-80-C2-00-00-00）的消息，所有透明網(wǎng)橋都會偵聽該地址。在阻塞狀態(tài)下，端口不會獲悉或轉發(fā)已接收到的幀。STA的最終結果是一個無循環(huán)的橋接環(huán)境，不管局域網(wǎng)網(wǎng)段拓撲結構是否改變，這個環(huán)境總是一直存在。生成樹算法,決定了網(wǎng)絡鏈路故障恢復時間,最少不低于15秒。生成樹的狀態(tài): 運行生成樹協(xié)議的交換機上的端口，總是處于下面五個狀態(tài)中的一個：阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動以防止回路，由生成樹確定哪個端口切換為轉發(fā)狀態(tài)，處于阻塞狀態(tài)的端口不轉發(fā)數(shù)據(jù)幀但可接受BPDU。監(jiān)聽：不轉發(fā)數(shù)據(jù)幀，但檢測BPDU（臨時狀態(tài)）。學習：不轉發(fā)數(shù)據(jù)幀，但學習MAC地址表（臨時狀態(tài)）。轉發(fā)：可以傳送和接受數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀。禁用：通常由于端口故障或交換機配置錯誤引起.3、Supreme-Ring協(xié)議通過傳統(tǒng)聽學順序轉入轉發(fā)狀態(tài)。需要說明的是，802.1w協(xié)議只適用于點到點鏈接。在媒體共享的情況下，802.1w協(xié)議將轉換成802.1D運行。多生成樹協(xié)議 在CiscoMISTP[多實例生成樹協(xié)議]的推動下，MST通過將一些基于VLAN的生成樹匯聚入不同的實例，并且每實例只運行一個（快速）生成樹，從而改進了RSTP的可擴展性。為確定VLAN實例的相關性，802.1s引入了MST區(qū)域概念。每臺運行MST的交換機都擁有單一配置，包括一個字母數(shù)字式配置名、一個配置修訂號和一個4096部件表，它與潛在支持某個實例的各4096VLAN相關聯(lián)。作為公共MST區(qū)域的一部分，一組交換機必須共享相同的配置屬性。重要的是請記住，配置屬性不同的交換機會被視為位于不同的區(qū)域。 為確保一致的VLAN實例映射，協(xié)議需要識別區(qū)域的邊界。因此，區(qū)域的特征都包括在BPDU中。交換機必須了解它們是否像鄰居一樣位于同一區(qū)域，因此會發(fā)送一份VLAN實例映射表摘要，以及修訂號和名稱。當交換機接收到BPDU后，它會提取摘要，并將其與自身的計算結果進行比較。為避免出現(xiàn)生成樹環(huán)路，如果兩臺交換機在BPDU中所接收的參數(shù)不一致，負責接收BPDU的端口就會被宣布為邊界端口。 IEEE802.1s引入了IST（內部生成樹）概念和MST實例。IST是一種RSTP實例，它擴展了MST區(qū)域內的802.1D單一生成樹。IST連接所有MST網(wǎng)橋，并從邊界端口發(fā)出、作為貫穿整個網(wǎng)橋域的虛擬網(wǎng)橋。MST實例（MSTI）是一種僅存在于區(qū)域內部的RSTP實例。它可以缺省運行RSTP，無須額外配置。不同于IST的是，MSTI在區(qū)域外既不與BPDU交互，也不發(fā)送BPDU。MST可以與傳統(tǒng)和PVST+交換機互操作。思科實施定義了16種實例：一個IST（實例0）和15個MSTI，而802.1s則支持一個IST和63個MSTI。與傳統(tǒng)生成樹的互操作性 RSTP和MSTP都能夠與傳統(tǒng)生成樹協(xié)議互操作。但是，當與傳統(tǒng)網(wǎng)橋交互時，802.1w的快速融合優(yōu)勢就會失去。 為保留與基于802.1D網(wǎng)橋的向后兼容性，IEEE802.1s網(wǎng)橋在其端口上接聽802.1D格式的BPDU。如果收到了802.1DBPDU，端口會采用標準802.1D行為，以確保兼容性。例如，在圖3中，交換機A上的“P4”一旦在至少兩倍的“hellotime”中檢測到PVST+BPDU，它就會發(fā)送PVST+BPDU。要說明的是，如果PVST+網(wǎng)橋從網(wǎng)絡中刪除后，交換機A就無法發(fā)現(xiàn)拓撲結構變更，需要人工重啟協(xié)議移植。圖3 圖3介紹了應用于VLAN2000的轉發(fā)拓撲結構，它映射至RSTP/MSTP區(qū)域中的MST#2。用于IST和MST#2的根交換機駐留于RSTP/MSTP區(qū)域內。MSTIBPDU并未發(fā)送至邊界端口“P4”外，只有ISTBPDU是如此。通過在PVST+域所有現(xiàn)用VLAN上復制ISTPBPDU，MST區(qū)域模擬了PVST+鄰居。然后，PVST+域接收IST上發(fā)送的BPDU，并選擇交換機B作為VLAN2000的根交換機（注：交換機B是IST的根。） 如果PVST+域中出現(xiàn)拓撲結構變更，在傳統(tǒng)云中生成的相應的拓撲結構變化通知（TCN）BPDI將由IST在MST域中處理，不致影響MST轉發(fā)拓撲結構。為了避免可能導致環(huán)路的錯誤配置，強烈建議為MST域中的PVST+實例（即IST根）配置根交換機。工業(yè)以太網(wǎng)技術的新進展（一）--工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)型網(wǎng)絡 為了提高可靠性，工業(yè)領域廣泛使用設備冗余方法，當工作的設備發(fā)生故障時，自動切換到冗余的備用設備。以太網(wǎng)也必須建立冗余。單環(huán)冗余 環(huán)狀拓撲為建立冗余網(wǎng)絡提供了一個設計簡單、成本低廉的解決方案（圖1）。環(huán)型網(wǎng)絡由多臺交換機連接成環(huán)型，設備連接到交換機上。理論上，以太網(wǎng)不能如此連接，因為廣播數(shù)據(jù)包會沿環(huán)反復傳播引起傳輸負荷驟增導致阻塞。解決的方法是在以太網(wǎng)交換機上配置生成樹協(xié)議（802.1D）或快速生成樹協(xié)議（802.1W）。安裝了該協(xié)議后，環(huán)上的一個網(wǎng)段會自動從邏輯上阻塞變成一個備用的網(wǎng)段。如果某一個運行的網(wǎng)段出現(xiàn)故障，則阻塞的備用網(wǎng)段將會運行起來，使網(wǎng)絡繼續(xù)正常運轉。圖1：單環(huán)冗余提供設備冗余的以太網(wǎng)雙環(huán)拓撲單環(huán)拓撲只能提供傳輸媒體的冗余。雙環(huán)拓撲可以建立一個具有冗余的網(wǎng)絡設備的完全的冗余系統(tǒng)。例如，一個具有以太網(wǎng)冗余接口的工業(yè)控制設備可以分別連接到兩個以太網(wǎng)環(huán)上（圖2），實現(xiàn)了以太網(wǎng)接口、交換機和介質的完全冗余。圖2：雙環(huán)冗余美國卓越通訊的工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)交換機 美國卓越通訊TSCCarat50系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機是專為工業(yè)類客戶設計的支持冗余環(huán)網(wǎng)拓撲結構的通信設備，充分考慮到工業(yè)控制對通訊系統(tǒng)可靠性的要求，采用TSC獨有的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，其鏈路故障恢復時間達到了300ms以內，完全采用封閉金屬褶皺散熱結構，適用于高溫、灰塵、強電磁等惡劣環(huán)境。特殊型號機型更能勝任水下運行。該機型環(huán)網(wǎng)設置已經(jīng)高度智能化，無須現(xiàn)場PC設置，智能確認開關的使用既使得網(wǎng)絡工程師的現(xiàn)場操作簡單，又確保通訊系統(tǒng)安全可靠。工廠、電站、軍方等不同客戶可根據(jù)各自需要選擇該系列產品。高性能：Carat50工業(yè)以太網(wǎng)交換機可提供全線速無阻塞100M轉發(fā)，構筑“Supreme-Ring”環(huán)形網(wǎng)絡。具有6個10/100M雙絞線端口(RJ45)用于連接終端設備或網(wǎng)段，2個主干端口(光纖)用于構成主干“Supreme-Ring”連接，可為工業(yè)現(xiàn)場控制設備提供可冗余的連接，任何一段主干通訊通道的故障都將在300ms內被察覺出來，并將啟動冗余鏈路傳送數(shù)據(jù)。讓您的自動化系統(tǒng)保持正常工作。Carat50工業(yè)以太網(wǎng)交換機采用存儲轉發(fā)交換方式，最大學習8000個地址，其每個端口均可連接多個獨立的物理網(wǎng)段。完全兼容IEEE802.3標準，減少了與其他支持以太網(wǎng)設備與Carat相連接時候出現(xiàn)的兼容性問題。高可靠：工業(yè)化設計的可冗余雙DC電源(18V-36V)輸入，有效保障與減少故障還原時間。電源故障時，提供繼電器報警輸出，便于技術人員對故障作出快速反應。Carat50工業(yè)以太網(wǎng)交換機高強度金屬褶皺結構外殼，能夠屏蔽電磁干擾，并且抗振動耐沖擊，同時又是散熱器，避免了因使用風扇引起的灰塵，減少了因風扇停轉而引起的故障點。IP30級別防護等級，-10℃～+70℃寬工作溫度，確保產品在嚴苛的工業(yè)現(xiàn)場工作良好。高易用：Carat50系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機可以導軌式、壁掛式、任意平面安裝。通過前面板按鍵簡單設置即可構建堅固可靠的“Supreme-Ring”環(huán)形網(wǎng)絡。圖3：TSCCarat5008FC2工業(yè)以太網(wǎng)交換機工業(yè)以太網(wǎng)技術的新進展（二）--實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)的關鍵技術是通信實時性 以太網(wǎng)在設計之初是用于商業(yè)領域，要將它應用于工業(yè)自動化領域，還有一些需要解決的技術問題：(1)需要解決它在工業(yè)環(huán)境中的適應性問題；(2)以太網(wǎng)不提供電源，因此需要額外的供電電纜；(3)以太網(wǎng)不是本質安全系統(tǒng)；(4)以太網(wǎng)介質訪問方式采用CSMA/CD協(xié)議，不能滿足工業(yè)過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，確定性不高。 對于以太網(wǎng)不適應工業(yè)現(xiàn)場的問題，工業(yè)以太網(wǎng)可以通過多種途徑，如改善傳統(tǒng)的以太網(wǎng)電纜、采用網(wǎng)關，還有采用PC-BASED方案和ON-CHIP設備等方法來解決工業(yè)以太網(wǎng)對工業(yè)環(huán)境的適應問題。 以太網(wǎng)作為商用網(wǎng)絡的使用中，被認為是實時性不高、非確定性的網(wǎng)絡，這主要是由于它所采用的介質訪問方式所決定的。CSMA/CD協(xié)議，即“帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問”。在工作過程中，如果有站點需要傳輸數(shù)據(jù)，首先偵聽電纜。如果鏈路正被其它的站點使用，該站點等待鏈路空閑再傳輸；如果鏈路空閑，則立即傳輸。如果有2個或多個站點同時在空閑的鏈路上開始傳輸數(shù)據(jù)，就發(fā)生沖突，于是所有的沖突站點停止傳送數(shù)據(jù)，運行二進制后退算法，等待一個隨機的時間，再重復上述過程。正是由于CSMA/CD的工作原理，造成數(shù)據(jù)傳輸有可能經(jīng)歷不可預見的延時，甚至長時間無法發(fā)送的情況。而且，以太網(wǎng)的整個傳輸體系沒有有效的措施及時發(fā)現(xiàn)某一節(jié)點故障而加以隔離，從而有可能使故障節(jié)點占用總線而導致其它節(jié)點傳輸失敗。 工業(yè)控制系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)的傳輸不僅速度快，而且要求響應快，即通信的實時性要好?？刂葡到y(tǒng)對時間特性的要求比一般的信息傳輸要更嚴格，因為這往往涉及到安全等問題，必須在任何時間都要及時響應，不允許有任何的不確定性。因此，工業(yè)以太網(wǎng)需要解決商用以太網(wǎng)存在的實時性不強的問題，以使工業(yè)以太網(wǎng)能夠實現(xiàn)實時通信，滿足工業(yè)控制的要求。工業(yè)以太網(wǎng)通信實時性的解決方案 以太網(wǎng)技術在最近取得了很大的進步，其中交換式以太網(wǎng)技術的發(fā)展與應用大大地改善了以太網(wǎng)技術中由于CSMA/CD介質訪問方式產生的不確定性問題，它與快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)技術結合，使以太網(wǎng)的實時性得到了很大的改善。經(jīng)過精心設計的工業(yè)以太網(wǎng)響應時間可以小于4ms，可滿足大多數(shù)工業(yè)過程控制的要求。工業(yè)以太網(wǎng)從通信技術的角度實現(xiàn)實時性的機制有：<1>采用交換式集線器。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器，由于共享式集線器的結構和功能僅僅是一種物理層中繼器，因此連接到共享式集線器上的所有站點共享一個帶寬，遵循CSMA/CD協(xié)議進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，只有在同一個端口上的信息流才會發(fā)生沖突，即每個端口是一個沖突域。這樣，不同端口可以形成多個數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束，可以大大提高網(wǎng)絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡性能。<2>使用全雙工（full-duplex）通信模式。即使是交換式以太網(wǎng)，由于一個端口是一個沖突域，在半雙工情況下仍不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個站點可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時接收數(shù)據(jù)，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。<3>采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術。虛擬局域網(wǎng)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的許多固有觀念，使網(wǎng)絡結構更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機的每一個端口只能標記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產生。工業(yè)過程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實時性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開來，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區(qū)分開，從而達到提高網(wǎng)絡的整體安全性和簡化網(wǎng)絡管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有3種：靜態(tài)端口分配、動態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡管理人員利用網(wǎng)管軟件或直接設備交換機的端口，使其直接從屬某個虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設置；動態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬；多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個用戶或一個端口同時訪問多個虛擬網(wǎng)，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門可以同時訪問、也可以同時訪問多個虛擬網(wǎng)的資源。<4>引入質量服務（QoS）。IP是指IP的服務質量（qualityofservice），亦即IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。它有一套度量指標，包括業(yè)務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡可以區(qū)分實時.非實時數(shù)據(jù)，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術，可以識別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，并對它們優(yōu)先處理，為工業(yè)控制數(shù)據(jù)的實時通信提供一種保障機制。另外，QoS網(wǎng)絡還可以制止對網(wǎng)絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元的終端等。 世界上有一些國際組織正在從事推動以太網(wǎng)進入控制領域的工作，如IEEE著手制訂現(xiàn)場總線和Ethernet通信的新標準。ODVA發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務的工業(yè)標準。AG-E，Kuka及PhoenixContact等公司在2000年3月成立了IDA（InterfaceforDistributedAutomation）組織，致力于開發(fā)一種基于EthernetTCP/IP的標準化的開放的通信接口。2000年8月SchneiderElectric加入該組織后，IDA大大增強了它的影響力。 2001年11月，IDA組織公布了它的第一份技術規(guī)范，與上面介紹的從通信技術方面做的改進不同，IDA為以太網(wǎng)建立一個新的實時通信用戶層，采用一種新的通信協(xié)議———RTPS（real-timepublish/subscribe）實現(xiàn)實時通信，RTPS的實現(xiàn)則由一個中間件來完成。以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術前言: 以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術在IT行業(yè)獲得了很大的成功,成為IT行業(yè)應用中首選的網(wǎng)絡通信技術。近年來，由于國際現(xiàn)場總線技術標準化工作沒有達到人們理想中的結果，以太網(wǎng)及TCP/IP技術逐步在自動化行業(yè)中得到應用，并發(fā)展成為一種技術潮流。 以太網(wǎng)在自動化行業(yè)中的應用應該區(qū)分為兩個方面問題，或者說兩個層次的問題。一是工廠自動化技術與IT技術結合，與互連網(wǎng)Internet技術結合，成為未來可能的制造業(yè)電子商務技術、網(wǎng)絡制造技術雛形。大多數(shù)專家們對自動化技術這種發(fā)展趨勢給予肯定的評價。另一個方面，即以太網(wǎng)能否在工業(yè)過程控制底層，也就是設備層或稱為現(xiàn)場層廣泛應用？能否成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡標準？這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點。本文將只就這一問題,從以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的技術比較出發(fā),談談個人看法。以太網(wǎng)指的是什么 什么是“以太網(wǎng)”？以及相關的IEEE802.3及TCP/IP技術?這對計算機網(wǎng)絡工程師可能是基本常識，但我們自動化技術工程師未必清楚。在討論以太網(wǎng)與自動化技術及現(xiàn)場總線技術之前,有必要先澄清一下這幾個基本術語的含義。筆者查閱了有關資料，現(xiàn)將有關“以太網(wǎng)”、IEEE802.3及TCP/IP相關的技術背景摘要如下:以太網(wǎng):?1975年:美國施樂(Xerox)公司的PaloAlto研究中心研制成功[METC76]，該網(wǎng)采用無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)幀，故以傳播電磁波的“以太(Ether)”命名。?1981年：美國施樂(Xerox)公司+數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司聯(lián)合推出以太網(wǎng)(EtherNet)規(guī)約[ETHE80]?1982年：修改為第二版，DIXEthernetV2因此：“以太網(wǎng)”應該是特指“DIXEthernetV2”所描述的技術。IEEE802.3?80年代初期:美國電氣和電子工程師學會IEEE802委員會制定出局域網(wǎng)體系結構,即IEEE802參考模型.IEEE802參考模型相當于OSI模型的最低兩層:?1983年：IEEE802委員會以美國施樂(Xerox)公司+數(shù)字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司提交的DIXEthernetV2為基礎，推出了IEEE802.3?IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)的網(wǎng)絡。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒體接入控制技術，或稱介質訪問控制技術。因此:IEEE802.3以“以太網(wǎng)”為技術原形，本質特點是采用CSMA/CD的介質訪問控制技術。“以太網(wǎng)”與IEEE802.3略有區(qū)別。但在忽略網(wǎng)絡協(xié)議細節(jié)時,人們習慣將IEEE802.3稱為”以太網(wǎng)”。與IEEE802有關的其它網(wǎng)絡協(xié)議：IEEE802.1—概述、體系結構和網(wǎng)絡互連，以及網(wǎng)絡管理和性能測量。IEEE802.2—邏輯鏈路控制LLC。最高層協(xié)議與任何一種局域網(wǎng)MAC子層的接口。IEEE802.3—CSMA/CD網(wǎng)絡，定義CSMA/CD總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范。IEEE802.4—令牌總線網(wǎng)。定義令牌傳遞總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范。IEEE802.5—令牌環(huán)形網(wǎng)。定義令牌傳遞環(huán)形網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范。IEEE802.6—城域網(wǎng)。IEEE802.7—寬帶技術。IEEE802.8—光纖技術。IEEE802.9—綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)。IEEE802.10—可互操作的局域網(wǎng)的安全。IEEE802.11—無線局域網(wǎng)。IEEE802.12—優(yōu)先高速局域網(wǎng)(100Mb/s)。IEEE802.13—有線電視(Cable-TV)TCP/IP協(xié)議?TCP/IP是多臺相同或不同類型計算機進行信息交換的一套通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議組的準確名稱應該是internet協(xié)議族，TCP和IP是其中兩個協(xié)議。而internet協(xié)議族TCP/IP還包含了與這兩個協(xié)議有關的其它協(xié)議及網(wǎng)絡應用，如用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）、地址轉化協(xié)議（ARP）和互連網(wǎng)控制報文協(xié)議（ICMP）。由于TCP/IP是internet采用的協(xié)議組，所以將TCP/IP體系結構稱作internet體系結構。?以太網(wǎng)是TCP/IP使用最普遍的物理網(wǎng)絡，實際上TCP/IP技術支持各種局域網(wǎng)絡協(xié)議，包括：令牌總線、令牌環(huán)、FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）、SLIP（串行線路IP）、PPP（點到點協(xié)議）、X2.5數(shù)據(jù)網(wǎng)等。見圖1：TCP/IP技術支持的各種局域網(wǎng)絡協(xié)議 由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的協(xié)議組，而TCP/IP底層物理網(wǎng)絡多數(shù)使用以太網(wǎng)協(xié)議，因此，以太網(wǎng)+TCP/IP成為IT行業(yè)中應用最普遍的技術。 本文主題中所提到的“以太網(wǎng)”，按習慣主要指IEEE802.3協(xié)議，如果進一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示。以太網(wǎng)為什么會進入自動化行業(yè) 以太網(wǎng)+TCP/IP作為辦公網(wǎng)、商務網(wǎng)在IT行業(yè)中獨霸天下，其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)。但為什么近年來會逐步向自動化行業(yè)發(fā)展，形成與現(xiàn)場總線技術競爭的局面？回顧近年來自動化技術的發(fā)展,可以了解到其中的原委。自動化技術從單機控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化近年來，自動化技術發(fā)展使人們認識到，單純提高生產設備單機自動化水平，并不一定能給整個企業(yè)帶來好的效益；因此，企業(yè)給自動化技術提出的進一步要求是：將整個工廠作為一個系統(tǒng)實現(xiàn)其自動化，目標是實現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟效益。因此，有了現(xiàn)代制造自動化模型，見圖2。所以說自動化技術由單機自動化發(fā)展到系統(tǒng)自動化。<現(xiàn)代制造自動化模> 自動化技術從單機控制向工廠自動化FA、系統(tǒng)自動化方向發(fā)展。制造業(yè)對自動化技術提出了數(shù)字化通信及信息集成的技術的要求;即要求應用數(shù)字通信技術實現(xiàn)工廠信息縱向的透明通信。工廠底層設備狀態(tài)及生產信息集成、車間底層數(shù)字通信網(wǎng)絡是信息集成系統(tǒng)的基礎

為滿足工廠上層管理對底層設備信息的要求,工廠車間底層設備狀態(tài)及生產信息集成是實現(xiàn)全廠FA/CIMS的基礎。見圖3:工廠自動化信息網(wǎng)絡分層結構：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級<工廠自動化信息網(wǎng)絡分層結構：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級>(3)現(xiàn)場總線技術的產生 現(xiàn)場總線(FieldBus)是工廠底層設備之間的通信網(wǎng)絡，是計算機數(shù)字通信技術在自動化領域的應用,為車間底層設備信息及生產過程信息集成提供了通信技術平臺.圖4是工廠底層應用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信,即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取.<工廠底層應用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信>現(xiàn)場總線國際標準之一ROFIBUS技術 ROFIBUS技術是1987年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機構聯(lián)合開發(fā)；1989年批準為德國工業(yè)標準DIN19245（PROFINUS-FMS/-DP）；1996年批準為歐洲標準EN50170V.2(PROFIBUS-FMS/-DP)；1999年PROFIBUS成為國際標準IEC61158的組成部分(TypeIII). PROFIBUS技術為設備層提供了PROFIBUS-DP和-PA技術，為車間層提供了PROFIBUS-FMS技術,見圖5。?PROFIBUS-DP是設備層現(xiàn)場總線,用于控制器(如PLC、PC、NC)與現(xiàn)場控制設備（如驅動器、檢測設備、HMI等）之間的通信總線；?設備層現(xiàn)場總線技術具有高速（12M）、實時、確定、可靠特點（如-DPV2可用于運動控制），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小。?PROFIBUS-PA也是設備層總線，具有IEC61158-2的物理層，可實現(xiàn)總線供電，并有本質安全技術。?PROFIBUS-FMS車間級現(xiàn)場總線，主要用于車間級設備監(jiān)控。主要完成車間生產設備狀態(tài)及生產過程監(jiān)控、車間級生產管理、車間底層設備及生產信息集成。車間級現(xiàn)場總線具有傳輸數(shù)據(jù)量大、應用層信息規(guī)范完整等特點，對網(wǎng)絡實時性要求不高。（5）國際現(xiàn)場總線技術標準IEC61158 根據(jù)現(xiàn)場總線技術概念，面對自動化行業(yè)千變萬化的現(xiàn)場儀表設備，要實現(xiàn)不同廠家不同種類產品的互連，現(xiàn)場總線技術標準化工作至關重要。為此，國際IEC委員會于1984年提出制定現(xiàn)場總線技術標準IEC1158（即IEC61158）。A．IEC61158目標：IEC1158的目標是制定面向整個工業(yè)自動化的現(xiàn)場總線標準。為此，根據(jù)不同行業(yè)對自動化技術的需求不同，將自動化技術分為五個不同的行業(yè)；見圖6：IEC1158的目標。IEC61158是要制定出一部滿足工業(yè)自動化五大行業(yè)不同應用需求的現(xiàn)場總線技術標準。B．妥協(xié)的結果 經(jīng)過十幾年的努力，1998年，對IEC61158（TS）進行投票。由于IEC61158（TS）只包含了ProcessControl部分，因此，IEC61158（TS）沒有通過投票，自動化行業(yè)期待了十多年的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準的努力失敗。1999年12月，IEC61158放棄了原有設想，通過妥協(xié)方案，即：以IEC61158（TS）+Add.Protocols作為IEC61158技術標準的方案；其中Add.Protocols包含ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus總線。 自動化行業(yè)將面臨一個多種總線技術標準并存的現(xiàn)實世界。C．IEC61158發(fā)展歷程給我們的啟示 面對當今以太網(wǎng)在自動化領域的應用潮流，IEC61158發(fā)展歷程至少給了我們兩點啟示，這對我們能夠清醒面對現(xiàn)實頗有好處：I、工業(yè)自動化技術應用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技術不可能滿足所有行業(yè)的技術要求；現(xiàn)場總線不同于計算機網(wǎng)絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現(xiàn)實世界。II、技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術標準不單是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產物。（6）以太網(wǎng)進入自動化領域 IEC61158制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準努力的失敗，使一部分人自然轉向了在IT行業(yè)已經(jīng)獲得成功的以太網(wǎng)技術。因此，現(xiàn)場總線標準之爭，給了以太網(wǎng)進入自動化領域一個難得的機會。積極推進這種技術概念的如法國施耐德公司，面向工廠自動化提出了基于以太網(wǎng)+TCP/IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。望文生義可以理解為：“協(xié)議規(guī)范統(tǒng)一，信息透明存取”。施耐德公司是將以太網(wǎng)技術引入工廠設備底層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術的積極倡導者和實踐者，已有一批工業(yè)級產品問世和實際應用。太網(wǎng)在自動化領域應用現(xiàn)狀目前，以太網(wǎng)工業(yè)在自動化領域已有不少成功應用實例，主要集中在以下幾個方面：(1)車間級生產信息集成：主要由專用生產設備、專用測試設備、條碼器、PC機及以太網(wǎng)絡設備組成；主要功能是完成車間級生產信息及產品質量信息的管理。管理層信息網(wǎng)絡：即支撐工廠管理層MIS系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡。主要完成如ERP的信息系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)：特別是一些區(qū)域廣泛、含有計算機廣域網(wǎng)技術、無線通信技術的SCADA系統(tǒng)，如城市供水或污水管網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、水利水文信息監(jiān)測SCADA系統(tǒng)等。個別的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡：個別要求高可靠性和一定實時性的分布式控制系統(tǒng)也有采用以太網(wǎng)+TCP/IP技術，并獲得很好的效果；如水電廠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。既然以太網(wǎng)已成功的應用于工業(yè)自動化諸多方面，既然IEC61158沒有給出一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準，為什么不能將以太網(wǎng)技術引入工業(yè)過程控制底層，即設備層，成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡標準？這就回到了本文開篇的話題。在這個問題上，除去各公司利益代言人從公司市場利益出發(fā)的商業(yè)宣傳不算，就是自動化行業(yè)專家們也是智者見智，仁者見仁，看法不盡相同。筆者從事現(xiàn)場總技術研發(fā)工作，習慣從技術方面將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術進行比較，從而得出幾點看法。4.以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術的比較(1)物理層現(xiàn)場總線A.傳輸介質：多數(shù)采用屏蔽雙絞電纜（RS-485）、光纖、同軸電纜，以解決長線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率和電磁干擾等問題。也有無線傳輸方案，以適應不同場合需要。B.插件：各種防護等級工業(yè)級的接插件。C．線供電及本質安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的場合。D.編碼：異步NRZ、位同步曼徹斯特編碼等。E.傳輸速率：9.6k~12M以太網(wǎng)A.傳輸介質：UTP3類線、UTP5類線、屏蔽雙絞電纜、光纖、同軸電纜,無線傳輸?shù)慕鉀Q方案。B.插件：RJ45、AUI、BNCC.總線供電及本質安全：無。D.編碼：同步、曼徹斯特編碼。E.傳輸速率：10M、100M(2)介質訪問控制方式現(xiàn)場總線：現(xiàn)場總線的介質訪問控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網(wǎng)絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網(wǎng)絡分配給站點的服務時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務。目前現(xiàn)場總線技術采用的介質訪問控制方式主要有：令牌、主從、生產者/客戶（producer/consumer）以太網(wǎng)CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)是以太網(wǎng)（或IEEE802.3）采用的介質訪問控制方式，如果不是這樣就不是以太網(wǎng)（或IEEE802.3）；比如采用令牌調度方式，應是基于IEEE802.4令牌總線網(wǎng)。根據(jù)CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)機理，它不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡通信的實時性和確定性要求。由于以太網(wǎng)與CSMA/CD具有對等的技術內涵，可以說以太網(wǎng)不是傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡要求的實時性和確定性網(wǎng)絡。（3）傳輸效率：不同網(wǎng)絡對報文長度有一個限制。在網(wǎng)絡報文中，除了有效傳輸數(shù)據(jù)之外，還有一些作為同步、地址、校驗等附加字段。有效數(shù)據(jù)字段與附加字段之比反映的網(wǎng)絡有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，或者說反映一次有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鷥r。通常報文格式如下:<報文格式>傳輸效率=有效數(shù)據(jù)長/[全部附加字段長+有效數(shù)據(jù)長]以太網(wǎng)全部附加字段長=26字節(jié)最大有效數(shù)據(jù)長=1500字節(jié)最小有效數(shù)據(jù)長=1字節(jié)（小于46時填0）最大傳輸效率=1500/（1500+26）=98.3%最小傳輸效率=1/（1+26+45）=1.39%現(xiàn)場總線PROFIBUS全部附加字段長=11字節(jié)最大有效數(shù)據(jù)長=244字節(jié)最小有效數(shù)據(jù)長=1字節(jié)最大傳輸效率=244/（244+11）=95.69%最小傳輸效率=1/（1+11）=8.33%工業(yè)網(wǎng)典型傳輸數(shù)據(jù)量（字節(jié)）傳輸效率工業(yè)網(wǎng)典型傳輸數(shù)據(jù)量（字節(jié)）傳輸效率811.11%842.11%1622.22%1659.26%2433.33%2468.57%3244.44%3274.42%4055.55/54078.43%4864.86%4881.36%5668.29%5683.58%6471.11%6485.33%12883.11%12892.09%<以太網(wǎng)與PROFIBUS參數(shù)比較>(3)現(xiàn)場設備信息規(guī)范及功能