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浅谈现场总线和工业以太网,看完就懂了

    在工业4.0时代,各种通信技术的蓬勃发展为企业实现智能化和自动化带来了诸多可能。尤其是在工业互联网的技术构架中,需要通过车间现场各类通讯方式接入不同设备、系统和产品,采集并上传海量数据。目前,在工控领域,车间现场应用最广泛的是工业以太网技术和工业现场总线技术,为工厂实现自动化带来有力推动。本文将介绍工业底层设备的两种通讯方式:现场总线和工业以太网。

    一、现场总线

    1.现场总线的概念

    现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线,是自动化领域中底层数据通信网络,连接最底层的现场控制器和现场智能仪表设备以及自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输,并遵循ISO/OSI开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。开放系统互连参考模型(Open System Interconnect 简称OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型,为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

    我们可以这样理解现场总线:

    第一,根据工厂自动化信息网络分层结构(工厂管理级、车间监控级、现场设备级),可知现场总线位于生产控制和网络机构底层,是工厂底层设备之间的通信网络。工厂底层应用现场总线技术的好处,在于可以实现工厂信息纵向集成的透明通信,即从管理层到自动化底层的数据存取。

    第二,现场总线是基于ISO/OSI的七层模型,并且可以少于七层。需要指出的是,实际应用中,ISO模型只是一个参考,不同种类的现场总线协议栈有较大区别,通常会将ISO/OSI的七层模型简化,以实现更低的通信延迟、更快的速度、更有利于实现现场总线的实时特性。

浅谈现场总线和工业以太网,看完就懂了

现场总线控制系统结构

    2.现场总线的技术特点与应用

    现场总线大致出现在上个世纪80年代末到90年代初期,当时,随着生产规模的日益扩大,工厂的设备有了互联的需求(此阶段的互联需求主要定位于远程的I/O数据传输,以及产线内部不同设备的数据交换)。企业希望通过综合掌握多点的运行参数与信息,进而实现多点信息的操作控制。但受制于当时的技术水平,计算机系统存在系统封闭的缺陷,各个厂家的产品都是自成体系,不同厂商之间的设备不能实现互联互通,想实现更大范围信息共享的网络系统还存在很多困难。

    随着相关技术的不断发展,并结合各种应用场景的实际需求,涌现出了许多有代表性的现场总线技术,例如基金会现场总线FF、LONWORKS现场总线、HAPT现场总线、CAN现场总线、Devicenet现场总线、PROFIBUS现场总线、INTERBUS现场总线、WorldFIP现场总线、CC-Link现场总线等。这些现场总线各具特点,并拥有各自特定的应用范围。但由于种类繁多,通讯协议也千差万别,所以至今现场总线的标准也未能统一,最终形成了一个多种现场总线的IEC61158的现场总线标准。

    二、工业以太网

    1.工业以太网的概念

    由于现场总线的标准化制定存在一定的难度,人们开始寻求新的工业通讯出路,这时候以太网技术出现在人们的视野。以太网最早出现于1970年代,之后按照IEEE 802.3实施了标准化,现在是指符合IEEE 802.3标准的局域网(LAN)产品组。以太网技术因其技术简单、开放性好、价格低廉等特点,在办公和商务上的市场占有率非常高。

    以太网最初是为办公自动化的应用而设计,并没有考虑工业现场环境的需求,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要,故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。一些厂商(例如施耐德提出了适用于工业现场的基于以太网+TCP/IP的解决方案)提出了将以太网技术引入工厂设备底层,工业以太网也就随之产生了。

    工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术,并采用TCP/IP协议,和IEEE 802.3标准兼容,在应用层会加入各自特有协议的通信技术。

    2.工业以太网的技术特点与应用

    工业以太网最大的优势在于:可以满足控制系统各个层次的要求,使得企业的信息网络和控制网络能够实现统一,网络集成相对容易,速度快,开发技术广泛,硬件升级范围广,价格低廉,容易获得众多厂商的支持。具体表现在:

    (1)Ethernet是全开放、全数字化的网络,遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。

    (2)以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成企业级管控一体化的全开放网络。

    (3)软硬件成本低廉,由于以太网技术已经非常成熟,支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持,有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

    (4)通信速率高,随着企业应用场景的复杂化,10M、100M的快速以太网开始广泛应用,千兆以太网技术也逐渐成熟,10G以太网也正在研究,其速率比现场总线快很多。

    近年,工业以太网的市场份额已经超过了传统的现场总线协议,后者通常需要多个独立和专有的布线设施。正如以太网适合于信息管理、信息处理系统一样,工业以太网在工厂管理、车间监控等信息集成领域也应用广泛。

浅谈现场总线和工业以太网,看完就懂了

工业以太网结构图(图片来源网络)

    目前比较有影响力的实时工业以太网有:西门子的PROFINET、横河Yokogawa的VNET/IP、倍福的EtherCAT、东芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus-IDA、贝加莱的Powerlink、浙大中控的EPA等。

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