从应用角度看现场总线标准和工业以太网.ppt

从应用角度看现场总线标准和工业以太网,北京和利时系统工程股份有限公司 罗安 2005年10月,一、仪表控制的历史发展趋势,仪表控制从装置发展到系统 促成这个转变的关键技术是信号传输技术，这实质上是一种原始的通信技术。 控制功能的加强，人对过程观察和控制的手段加强、范围扩大。数字技术成为主导 功能的提升、范围的扩大提高了对通信的要求，计算机介入控制系统更使数字化的网络通信方式成为系统最基本的要求。 系统规模的扩大，信息量急剧膨胀 现场层的数字通信势在必行，这是实现全数字化控制系统，实现全系统信息化需要攻克的最后一个堡垒。,二、通信标准成为促进发展的关键,多台设备互连需要统一的通信协议 在同一个系统中要使用多个厂家的产品，这些产品的互通、互连、互操作，必须有统一的通信协议 为保护用户投资，新产品必须兼容老产品，因此要执行前后一致的标准 在使用上，各个厂家的产品应该有尽量一致的安装、使用方法和维护手段，以便于更多的用户学习和掌握,标准的特点,指向性明确而且具体地规定产品性能、功能、参数。一个具体标准的作用域必须明确 唯一性同一作用的标准只能有一个 公开性便于执行和检验 普适性在标准的作用域范围内普遍适用 系统性有关联的标准之间不能出现矛盾 兼容性改进、扩充或升级的标准必须兼容原标准 一致性符合同一标准的产品能够互换、互操作 易执行性符合当前技术、工艺水平 可验证性用简易可行的方法验证标准的符合性 灵活性在符合标准规定的条件下给厂家最大的设计和实现技术的发挥空间,好的标准应该起到 促进产业发展和推动技术进步 的双重作用,模拟仪表的通信标准,20100kPa（气动仪表） 0-10mA电流信号 1-5V等电压信号 4-20mA电流信号,模拟仪表的通信标准最终集中到了4-20mA，成为唯一的标准。这使得所有仪表厂家在这一标准之下各自发挥技术优势，生产出了大量不同功能、性能、结构、特点的仪表。这些仪表都很容易连通，在使用上没有障碍，而且容易检验测试。这个标准对仪器仪表产业的发展起到了巨大的推进作用。 4-20mA标准的缺点是它只能够传送一个物理量值，而且通信方式是一对一的，信息容量太小，不能满足当前信息时代的需求。模拟信号也存在着受环境影响产生漂移、时间稳定性差、复现性差、传输误差、元器件老化造成精度下降等问题，新一代数字化的通信标准势在必行。,现场通信数字化的优势,数据量大、种类丰富 数据的精确度、稳定度提高，无传输损失 可满足实时条件下的数据共享 大系统布线工程的简化 仪表调校的准确性、稳定性和方便性，可在线、远程调校 仪表的远程、在线自诊断，随时掌握设备的完好状态 可使用多种物理传输介质：铜线、光缆、无线 可借助信息技术形成整个企业从最底层到最高层的完整统一的大系统 现场仪表（传感器、执行器等）走向数字化是大势所趋,与模拟通信相比，技术复杂性大大增加了，尤其是形成全企业完整的一体化系统之后 网络通信方式从本质上比模拟信号通信方式的实时性差很多 大量信息通过一条网线传输，增加了故障危险性 数字系统的容错性比模拟系统差 网络强大的互连能力造成底层和高层之间的耦合非常紧密，互相牵扯、互相影响，使标准化的难度大大增加 掌握数字化的通信网络，学会安装、使用、管理、维护，需要现场人员具有较高的知识、技术水平 从模拟技术转向数字技术是一场革命性的改变，运行管理模式、设备、人员等都要有根本性的改变，可能需要很长的过渡时期 目前还没有统一的通信标准,现场通信数字化存在的问题,三、当前现场总线的多标准局面及形成原因的探讨,多个标准化组织、多个现场总线标准： IEC 61158-2：10种现场总线标准 ISO 11898（CAN） IEEE 1473（LON Works） SEMI E54.12（CC-Link） 多个在不同领域使用的事实上的标准： MODBUS HART Power Link,多标准造成各个厂家的产品 之间不能实现互通和互操作 为什么出现多标准并存的局面？ 技术方面和市场方面的原因,技术方面的原因：,现场总线是一项新技术，正处在“百花齐放”的时期。 新的数字技术与模拟技术相比，可以实现更多更强大的功能。 仪表和执行器层的通信在数字化后已不仅仅是物理信号的传输，还包括了许多控制与管理的内容。 仪表和执行器层的通信在数据的数量上大大增加、内容上大大丰富了，任何规约都不能面面俱到。 数字化的仪表和执行器能够满足更多领域的应用需求，但一种规约难以满足各种不同应用的需求。 功能的加强和应用领域的扩大使得产品带上了系统的性质，产品的复杂程度增加使标准化的难度大大增加。 在这样的技术背景下，形成统一标准的过程将十分漫长。,市场方面的原因：,现场总线意味着仪器仪表行业的全面升级换代，这是一个巨大的未来市场 技术上的复杂性和难度使得实力强大的大公司看到了垄断市场的机会 实现垄断的方法是保持高的技术门槛并推出自己独特的产品 现场总线数字化、信息化和系统性的特点，底层和上层紧密耦合的特点成为保持高技术门槛的有利条件,目前的多标准并存局面无法起到促进产业发展和推动技术进步的作用,四、是否存在形成统一现场总线标准的可能性？,明确划分和定义应用的功能层次，降低各个层次之间的耦合度是关键 直接控制层 监督控制层 行业应用层 企业管理层 企业经营层 明确定义功能层次之间的接口关系，进而定义出连接功能层次的网络协议 直接控制层和监督控制层之间（现场总线网络） 监督控制层和行业应用层之间（系统控制局域网络） 行业应用层和企业管理层之间（企业管理内部网络） 企业管理层和企业经营层之间（外部互联网络） 标准的制定可以从简单易行的底层开始，逐步向高层发展,原则： 简单的、与行业应用关系不密切的功能放在底层实现； 复杂的、与行业应用关系密切的功能放在高层实现。,现场层通信功能（传感器/执行器网络）,监督控制功能,直接控制功能,管理信息系统（人事、财务、设备、库存等）,多行业、多领域应用功能（生产调度、过程优化等）,电子商务、供应链管理、客户关系管理等高级应用功能,InterNet,IntraNet,FieldBus,LANs,企业自动化、信息化功能层次,不同层次不同的功能和性能要求,最底层直接控制层 以实时性、稳定性、可靠性要求为主。功能主要为现场运行状态测量和直接控制，功能较单一，不常变化，人工干预较少。 次底层监督控制层 实时性较最底层稍低，仍要求稳定可靠。功能以数据采集、处理、存贮、统计、分析和人机界面为主，功能较多但不常变化。 中层行业应用功能层（生产调度、过程优化等） 功能依据行业有较大不同，而且会不断发展。运行过程中功能变化不大。 中高层企业管理层（人、财、物管理） 有一些确定的管理模式，运行中功能变化不大，但人工干预较多。 最高层企业经营层（产、供、销管理） 功能依据行业和应用需求变化较大，运行过程中会不断改变功能要求或增加新的功能，主要是围绕人的操作进行。基本上属于信息系统。,不同层次之间不同的网络通信要求,最底层传感器、执行器与控制器之间的通信 强实时通信，要求快速（依据过程的要求）、稳定、可靠。通信规律性、周期性强，每次通信量不大但很频繁。 次底层控制器与人机界面工作站之间的通信 准实时通信，通信量与人的操作和操作人员数量有关，通信有规律，但规律性不特别强，每次通信量较大（可以压缩或优化），频繁程度中等。 中层各个生产装置控制系统之间的通信 通信时间要求为分钟级，通信规律性不强，每次通信量中等，频繁程度中等。 中高层生产控制系统与生产管理部门之间的通信 通信时间要求为分钟级，通信规律性不强，基本上没有周期性，有突发性，虽不频繁但量较大，有时出现长或特长数据包。 最高层企业与外界的通信 同中高层通信。一般利用公网作为传输介质。,Suite,底层网络通信的特点,与应用的类型关系不密切 检测和执行控制是各个行业应用的基础，不论哪个行业，在检测和执行控制的要求及方法方面大体上是一致的。 需要统一的标准 可以形成满足各种应用的底层网络，不同的应用没有必要保持特殊的底层通信网络。 使用数量大 每个传感器、执行器都是一个通信节点。不同行业的使用量总和更为庞大 价格敏感 因为使用数量大，要求每个单元的价格尽量低。而唯有实现了统一标准，才能够形成生产规模，大幅度降低成本。 要简单易行 便于安装、调试和维护。按照统一标准生产的产品才能够具备这种特性。,将各个层次、不同功能 和性能要求的网络 集中在一个标准中，必然产生 极大的复杂性和难度 我们的任务：将复杂问题简单化,复杂问题简单化的基本思路,现场层通信在模拟时代的基本功能： 测量值和控制量的传输 现场变送器等设备的就地显示、就地调校（不需通信） 为现场的变送器等设备供电 数字化后可实现的功能： 测量值和控制量的传输 现场变送器等设备的就地和远程显示、调校（需借助通信） 现场生产设备的特性、运行状态、诊断信息等参数的传输 网络供电（在有防爆要求的场合要考虑防爆设计） 与控制算法相关的功能应该放在高层实现,底层网络通信现场总线,对网络物理层的要求： 可靠性、稳定性、抗干扰性 保证在短数据帧而通信次数频繁的情况下有良好的实时性 在不使用重复器的情况下有较长的传输距离 有一定接入能力 与模拟信号传输相比，现场总线的主要优势： 接入能力（负面影响是可靠性和实时性问题） 信息量（负面影响是复杂度的增加） 功能强大（负面影响是不利于形成标准） 现场层采用数字通信技术要发挥其优势，避免其负面影响,形成现场总线统一标准的唯一出路 底层与高层有效的解耦合,物理层和数据链路层具有最大的独立性，与行业应用可以实现最大限度的解耦，因而最具备实现统一标准的条件，只要不包含与行业应用相关的内容。 网络层、传输层因有数据结构的设计问题，因此与行业应用有一定的耦合，实现统一标准的难度加大。 应用层因与各种不同行业的应用密切相关，目前基本上无法实现统一标准。,在仅限于物理层和数据链路层的范围内制定统一的现场总线标准是完全可行的,将现场总线的内涵限制在 物理层和数据链路层的意义,易于实现标准的统一，使不同厂家的产品能够互连互通，实现数据互相传输。 降低采用标准的难度，让更多的厂家参与仪器仪表数字化这一巨大的未来市场的竞争，特别是国内厂家（目前这一领域是几家大型跨国公司的游戏）。 即使在网络的底层，需要解决的问题、需要发展的技术也足够多，确定了标准就可使厂家将注意力集中在标准产品的生产和需要提高的技术方面。,五、对工业以太网的认识,以太网要用于工业自动化，首先要解决它的实时性问题和工业现场的防护问题 工业以太网最有希望成为统一的现场总线标准的基础 技术上最成熟。 最广泛的产品和技术支持，物理口价格便宜（无需License Fee)。 最丰富的配套产品（接插件、线材、重复器、集线器、交换器等）。 具有最庞大的研发队伍以及随处可得的开发环境。 已经发展出的多种新技术（实时传输技术、网络供电技术、冗余技术等）完全可满足现场层通信的需求。 TCP/IP不是工业以太网必须选择的网络层、传输层协议 工业现场底层的数据传输不一定需要通过IP协议。 遵循TCP/IP协议可以保证与高层网络的兼容性，但对底层通信并无实际意义。 底层网络与高层网络之间必须进行有效的隔离才能够保证现场控制的安全。 “E网到底”的概念在物理层和数据链路层可以实现，而在网络层以上难于实现。 在国际上也不是所有厂家的工业以太网解决方案都兼容TCP/IP。,以太网物理层,工业以太网解决方案：,SynqNet,PowerLink,IT通用应用层协议： SNMP、SNTP、 TELNET、FTP、HTTP、PPP、DHCP、 ,Ethernet/IP,ProfiNet,SRT/ IRT,传输层协议 UDP/TCP,网络层协议 IP,标准 通道,FF HSE,以太网数据链路层（RFC984/RFC1042）,应该积极发展以工业以太网 为基础的现场总线网络,关注点： 数据传输实时性的保证 对工业现场环境的防护 抗电磁干扰性能的提高 铜线、光纤、无线等多种传输介质的兼容 目标： 使现场总线成为如420mA那样通用的、标准的、适用于各行各业的现场层通信网络。 需要注意的问题： 不要将关注点集中到高层协议的兼容和应用功能方面，那样会使简单问题复杂化,扬长避短,国际大型自动化企业： 有悠久的从业历史，技术积累深厚，品牌优势明显，有条件利用技术和品牌的优势造成垄断。在现场总线标准争夺战中，这些公司推出的具有很高技术难度的方案正是这种垄断战略的体现。 国内企业： 有本土优势，在设备制造方面有成本优势。将复杂问题简单化，即将现场总线标准的范围限定在物理层和数据链路层，正可以扬长避短，发挥自己的优势。 要解决的主要问题： 以数字通信代替420mA模拟通信 通用的接插件、线材等网络设备 可由高层软件自由定义的应用数据包,从工程应用角度出发寻求合理方案,实时节点和实时网段： 需要传输实时数据的节点被称为实时节点 全部由实时节点组成的网络被称为实时网段 IP节点和IP网段： 使用标准IP协议且没有严格实时性通信需求的节点被称为IP节点 包含有IP节点的网络被称为IP网段 如果实时网段与IP网段之间需要通信，可使用转换节点。 如果要将实时网段与IP网段直接连通，则需要将所有IP节点改造为实时节点（不是数据