工業乙太網與現場總線技術各自優缺點和應用

隨著「工業4.0」戰略的展開，計算機技術、通訊技術、IT技術的發展已經滲入到工控領域，其中最主要的表現就是工業現場總線技術和工業乙太網技術。其中工業現場總線技術，特別是乙太網技術的廣泛使用，為自動化技術帶來了深刻變革。
 

【現場總線】

現場總線式應用在生產現場、連接智能現場設備和自動化測量控制系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。

它是一種工業數據總線，是自動化領域中底層數據通信網絡。

【控制組成】

1.現場總線控制系統
它的軟體是系統的重要組成部分，控制系統的軟體有組態軟體、維護軟體、仿真軟體、設備軟體和監控軟體等。首先選擇開發組態軟體、控制操作人機接口軟體MMI。通過組態軟體，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數，進行網絡組態。在網絡運行過程中系統實時採集數據、進行數據處理、計算。優化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

2.現場總線的測量系統
其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由於採用數位訊號，具有高解析度，準確性高、抗幹擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設備的狀態信息，可以對處理過程進行調整。

3.設備管理系統
可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備製造信息。

4.總線系統計算機服務模塊
以客戶機/伺服器模式是目前較為流行的網絡計算機服務模式。伺服器表示數據源（提供者），應用客戶機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，並進一步進行處理。客房機運行在PC機或工作站上。伺服器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。

5.資料庫
它能有組織的、動態的存儲大量有關數據與應用程式，實現數據的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業設備在運行過程中參數連續變化，數據量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關係及實時性的數據了系統。

6.網絡系統的硬體與軟體
網絡系統硬體：系統管理主機、伺服器、網關、協議變換器、集線器、用戶計算機等底層智能化儀表
網絡系統軟體：NetWarc、LAN Mangger、Vines
伺服器操作軟體：Lenix、os/2、windowNT、應用軟體資料庫、通信協議、網絡管理協議等。

【總線分類】

目前世界上存在著大約四十餘種現場總線，這些現場總線大都用於過程自動化、醫藥領域、加工製造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域，目前的工業總線網絡可歸為三類：485網絡、HART網絡、FieldBUS現場總線網絡。

485網絡：RS485/MODBUS是現在流行的一種工業組網方式，其特點是實施簡單方便，而且現在支持RS485的儀表又特別多。現在的儀表商也紛紛轉而支持RS485/MODBUS，原因很簡單， RS485的轉換接口不僅便宜得而且種類繁多。至少在低端市場上，RS485/MODBUS仍將是最主要的工業組網方式。

HART網絡：HART是由艾默生提出的一個過度性總線標準，主要特徵是在4-20毫安電流信號上面疊加數位訊號，但該協議並未真正開放，要加入他的基金會才能拿到協議，而加入基金會要一定的費用。HART技術主要被國外幾家大公司壟斷，近些年國內也有公司在做，但還沒有達到國外公司的水平。現在有很多智能儀錶帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國內情況來看，還沒有真正用到這部分功能來進行設備聯網監控，最多只是利用手操器對其進行參數設定。從長遠來看，由於HART通信速率低、組網困難等原因，HART儀表的應用將呈下滑趨勢。

FieldBus現場總線網絡：現場總線是當今自動化領域的熱點技術之一，被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現標誌著自動化控制技術又一個新時代的開始。現場總線是連接控制現場的儀表與控制室內的控制裝置的數位化、串行、多站通信的網絡。其關鍵標誌是能支持雙向、多節點、總線式的全數位化通信。現場總線技術近年來成為國際上自動化和儀器儀表發展的熱點，它的出現使傳統的控制系統結構產生了革命性的變化，使自控系統朝著「智能化、數位化、信息化、網絡化、分散化」的方向進一步邁進，形成新型的網絡通信的全分布式控制系統——現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。然而，到目前為止，現場總線還沒有形成真正統一的標準，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準並行存在，並且都有自己的生存空間。何時統一，遙遙無期。目前，支持現場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的餘地小，價格又偏高，用量也較小。

【特點優缺點】

1.特點
現場控制設備具有通信功能，便於構成工廠底層控制網絡。
通信標準的公開、一致，使系統具備開放性，設備間具有互可操作性。
功能塊與結構的規範化使相同功能的設備間具有互換性。
控制功能下放到現場，使控制系統結構具備高度的分散性。

2.優點
現場總線使自控設備與系統步入信息網絡的行業，為其應用開拓了更為廣闊的領域；
一堆雙絞線上可接掛多了控制設備，便於節省安裝費用；
節省維護開銷；
提高了系統的可靠性；
為用戶提供了更為靈活的系統集成主動權。

3.缺點

網絡通信中數據包的傳輸延遲，通信系統的瞬時錯誤和數據包丟失，發送與到達次序的不一致等都會破壞傳統控制系統原本具有的確定性，使得控制系統的分析與綜合變得更為複雜，使控制系統的性能受到負面影響。

【工業乙太網】

工業乙太網是指技術上與商用乙太網兼容，但在產品設計上，在實時性、可靠性、環境適應性等方面滿足工業現場的需要，是繼現場總線之後發展起來，最被認同也最具發展前景的一種工業通信網絡。

工業乙太網的本質就是乙太網技術辦公自動化走向工業自動化。

工業乙太網與傳統乙太網絡的比較

【操作要求】

1.工業生產環境的高溫、潮溼、空氣汙濁以及腐蝕性氣體的存在，要求工業級的產品具有氣候環境適應性，並要求耐腐蝕、防塵和防水。
2.工業生產現場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需要採取防爆措施保證安全生產。
3.工業生產現場的振動、電磁幹擾大，工業控制網絡必須具有機械環境適應性（如耐振動、耐衝擊）、電磁環境適應性或電磁兼容性（EMC）等。
4.工業網絡器件的供電，通常是採用櫃內低壓直流電源標準，大多的工業環境中控制櫃內所需電源為低壓24V直流。
5.採用標準導軌安裝，安裝方便，適用於工業環境安裝的要求，工業網絡器件要能方便地安裝在工業現場控制櫃內，並容易更換。

【主要標準】

工業乙太網是按照工業控制的要求，發展適當的應用層和用戶層協議，使乙太網和TCP/IP技術真正應用到控制層，延伸到現場層，而在信息層又儘可能採用IT行業一切有效而又最新的成果，因此，工業乙太網與乙太網在工業中的應用全然不是同一個概念。

1.IDA的通信結構和通信協議

DA是一種完全建立在乙太網基礎上的工業乙太網規範，將一種實時的基於WEB的分布自動化環境與集中的安全體系結構加以結合，目標是創立一個基於TCP/IP的分散自動化的解決方案。

2.Ethernet/IP的通信結構和通信協議

ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet，還控制另一個總線EtherNet/IP，它把處於應用層和用戶層的DeviceNet和ControlNet的目標庫CIP（包含了所有經典的PLC運算），與乙太網物理介質捆綁在一起。

3.PROFlnet的通信結構和通信協議

如圖，它的數據鏈路層採用了旨在減小處理通信棧所需時間的一種傳輸協議，從而極大地縮短了網絡的刷新時間，確保刷新時間在5~10MS。實時通道除了可進行循環傳輸外，還可完成非循環（事件觸發、過程數據修改、操作指令下達等）傳輸。同時還要加入網絡管理、WEB功能，以及直接集成I/O設備等。

4.HSE的通信結構和通信協議

美國的FF（現場總線基金會）採用高速乙太網開發的FCS系統控制級以上通信網絡的主幹網，控制級以下仍使用H1現場總線，構成信息集成開放的體系結構，HSE遵循標準的乙太網規範。FF在去規範中規定了21中功能塊，供基本過程控制和先進過程控制使用。這些標準功能塊駐留與HSE相連的現場設備中，只要通過組態就予以連結。為進行複雜的批處理和混合控制等應用，FF還規定了柔性功能塊，支持數據採集的監控、子系統接口、事件順序、多路數據採集，並可用作與PLC和其他協議通信的網間連接器，所以我們可得出這樣一個結論：HSE工業乙太網為連續的過程控制工業和斷續的製造業所需的連續實時控制提供了各種的解決方案，它為連續過程控制系統、斷續製造的控制系統、批量控制系統以及MES、ERP等企業信息管理系統的集成，提供了一種相當成熟的工業乙太網的標準協議。

【應用於工業控制需要解決的問題】

工業乙太網，一般來講技術上與商業乙太網兼容，但在產品設計時，在實時性、可靠性、環境的適應性等方面能滿足工業現場的需要，是一種典型的工業通信網絡。與商用乙太網相比，工業乙太網在以下方面具有特殊要求：
1.要求有高實時性與良好的時間確定性
2.傳送信息多為短幀信息，且信息交換頻繁
3.容錯能力強，可靠性、安全性好
4.控制網絡結構具有高度分散性
5.控制網絡協議簡單實用，工作效率高
6.控制設備的智能化與控制功能的自治性
7.與信息網絡之間有高效率的通信，易於實現與信息網絡的集成
8.設備的可靠性與環境適應性
9.遠距離傳輸
10.總線供電
11.網絡安全性
12.互操作性

【優勢】

1.應用廣泛
乙太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，收到廣泛的技術支持，最典型的的乙太網應用形式如：Ethernet+TCP/IP+web。幾乎所有的程式語言都支持Ethernet的應用開發。

2.成本低廉
由於乙太網的應用最為廣泛，因此收到硬體開發商與生產廠商的高度重視與廣泛支持，有很多硬體產品供用戶選擇， 而且由於應用廣泛，硬體價格也相對低廉。

3.通信速率高
目前乙太網的通信速率為10M、100M的快速乙太網也開始廣泛應用，1000M乙太網技術也逐漸成熟，10G乙太網也正在研究，其通信速率比目前的現場總線快得多。

4.軟硬體資源豐富
乙太網已應用多年，人們對乙太網的設計、應用等多方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟體資源和設計經驗可以顯著降低系統開發和培訓費用，從而可以顯著降低系統的整體成本，並大大加快系統開發和推廣速度。

5.可持續發展能力強
由於乙太網的廣泛應用，它的反戰一直得到廣泛的重視和大量的技術投入，形成全球性的技術支持，並且在當前信息瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程度上依賴於一個快速而有效的通信網絡管理，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了乙太網技術不斷地持續向前發展。

6.易於實現管控一體化
易於實現控制網絡與信息網絡的無縫集成，建立統一的企業網絡，可實現嵌入式控制器，智能現場測控儀表和傳感器等方便地接入乙太網絡，直至與Internet相連。

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