以太网与现场总线技术

【摘要】本文就以太网在自动化领域应用现状及前景、以太网与现场总线技术等热点问题,从技术比较出发,发表了个人看法。本文认为:以太网在工厂管理层、车间监控层将成为主流技术,与互连网技术结合是未来eManufactory技术基础;在没有严格时间要求的设备层也将获得一定的发展；但对一般工业网络要求实时性、确定性通信场合,现场总线技术还将处于主导地位；我们必须学会面对一个多种网络技术并存的现实世界。

【正文】

前言:

以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大的成功,成为IT行业应用中首选的网络通信技术。近年来,由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果,以太网及TCP/IP技术逐步在自动化行业中得到应用,并发展成为一种技术潮流。

以太网在自动化行业中的应用应该区分为两个方面问题,或者说两个层次的问题。一是工厂自动化技术与IT技术结合,与互连网Internet技术结合,成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定的评价。另一个方面,即以太网能否在工业过程控制底层,也就是设备层或称为现场层广泛应用？能否成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准？这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点。本文将只就这一问题,从以太网与现场总线的技术比较出发,谈谈个人看法。

1．以太网指的是什么

什么是“以太网”？以及相关的IEEE802.3及TCP/IP技术?这对计算机网络工程师可能是基本常识,但我们自动化技术工程师未必清楚。在讨论以太网与自动化技术及现场总线技术之前,有必要先澄清一下这几个基本术语的含义。笔者查阅了有关资料,现将有关“以太网”、IEEE802.3及TCP/IP相关的技术背景摘要如下:

(1)以太网:

►1975年:美国施乐(Xerox)公司的PaloAlto研究中心研制成功[METC76],该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧,故以传播电磁波的“以太(Ether)”命名。

►1981年:美国施乐(Xerox)公司+数字装备公司(Digital)+英特尔(Intel)公司联合推出以太网(EtherNet)规约[ETHE80]

►1982年:修改为第二版,DIXEthernetV2

因此:“以太网”应该是特指“DIXEthernetV2”所描述的技术。

(2)IEEE802.3

►80年代初期:美国电气和电子工程师学会IEEE802委员会制定出局域网体系结构,即IEEE802参考模型.

IEEE802参考模型相当于OSI模型的最低两层:

►1983年:IEEE802委员会以美国施乐(Xerox)公司+数字装备公司(Digital)+英特尔(Intel)公司提交的DIXEthernetV2为基础,推出了IEEE802.3

►IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的网络。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒体接入控制技术,或称介质访问控制技术。

因此:IEEE802.3以“以太网”为技术原形,本质特点是采用CSMA/CD的介质访问控制技术。“以太网”与IEEE802.3略有区别。但在忽略网络协议细节时,人们习惯将IEEE802.3称为”以太网”。

与IEEE802有关的其它网络协议:

IEEE802.1—概述、体系结构和网络互连,以及网络管理和性能测量。

IEEE802.2—逻辑链路控制LLC。最高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。

IEEE802.3—CSMA/CD网络,定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。

IEEE802.4—令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。

IEEE802.5—令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。

IEEE802.6—城域网。

IEEE802.7—宽带技术。

IEEE802.8—光纤技术。

IEEE802.9—综合话音数据局域网。

IEEE802.10—可互操作的局域网的安全。

IEEE802.11—无线局域网。

IEEE802.12—优先高速局域网(100Mb/s)。

IEEE802.13—有线电视(Cable-TV)

(3)TCP/IP协议

►TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。TCP/IP协议组的准确名称应该是internet协议族,TCP和IP是其中两个协议。而internet协议族TCP/IP还包含了与这两个协议有关的其它协议及网络应用,如用户数据报协议(UDP)、地址转化协议(ARP)和互连网控制报文协议(ICMP)。由于TCP/IP是internet采用的协议组,所以将TCP/IP体系结构称作internet体系结构。

►以太网是TCP/IP使用最普遍的物理网络,实际上TCP/IP技术支持各种局域网络协议,包括:令牌总线、令牌环、FDDI(光纤分布式数据接口)、SLIP

(串行线路IP)、PPP(点到点协议)、X2.5数据网等。见图1:TCP/IP技术支持的各种局域网络协议

由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的协议组,而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网协议,因此,以太网+TCP/IP成为IT行业中应用最普遍的技术。

本文主题中所提到的“以太网”,按习惯主要指IEEE802.3协议,如果进一步采用TCP/IP协议族,则采用“以太网+TCP/IP”来表示。

2．以太网为什么会进入自动化行业

以太网+TCP/IP作为办公网、商务网在IT行业中独霸天下,其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。但为什么近年来会逐步向自动化行业发展,形成与现场总线技术竞争的局面？回顾近年来自动化技术的发展,可以了解到其中的原委。

(1)自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA,发展到系统自动化

近年来,自动化技术发展使人们认识到,单纯提高生产设备单机自动化水平,并不一定能给整个企业带来好的效益；因此,企业给自动化技术提出的进一步要求是:将整个工厂作为一个系统实现其自动化,目标是实现企业的最佳经济效益。因此,有了现代制造自动化模型,见图2。所以说自动化技术由单机自动化发展到系统自动化。

<现代制造自动化模>

自动化技术从单机控制向工厂自动化FA、系统自动化方向发展。制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成的技术的要求;即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。

(2)工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络是信息集成系统的基础

为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求,工厂车间底层设备状态及生产信息集成是实现全厂FA/CIMS的基础。见图3: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

<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>

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