工业通信网络6课件

1、工业通信网络与技术（现场总线）许勇xuy主要教学内容和学时分配第一章 工业通信概述2第二章 数据通信基础4第三章 通信总线技术及应用8计算机接口总线工控机与测控仪器接口总线常用工业通信总线第四章 现场总线/控制网络的核心技术8现场总线概述HSE/H1Profibus等网络集成式控制系统第五章 汽车网络和CANbus14第六章 工业以太网及其应用 4合计 40第六部分 工业以太网 工业总线技术的发展趋势：1.注重系统的开放性 封闭、自成一体的系统定会消亡2.注重应用系统设备间的互操作性早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层的相关规范，如设备描述、标准功能块等。应

2、用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而应用与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议CAN是封装在芯片中的通信协议；485只是物理层的电气接口规范，由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范数据信号的传输、数据理解可能的出路出路一各种现场总线统一到1-2种。IEC61158的产生本身就说明这种可能性很小。出路二开发所有现场总线通用的接口，成本较高且难度较大。出路三各国不理睬IEC61158，采用自主知识产权的协议。不符合经济全球化发展趋势。出路四采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议，并使其在工业体育场成

3、熟应用，易于被广大国家用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎。工业 Ethernet6.1 概论 Ethernet进军工业自动化的主要动力是：成本低；速度的提高，因普通遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。Ethernet是世界上应用最多的网络，超过93%的网络节点为Ethernet。 现场总线标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。面向工厂自动化基于以太网+TCP/IP的解决方案，称之为“透明工厂”。望文生义可以理解为：“协议规范统一，信息透明存取”。 以太网已成功的应用于工业自动化诸多方面，以太网技术入工业过程控制底层，即设备层，甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络

4、标准？以太网在自动化领域应用现状工业以太网成功应用实例，主要集中在以下几个方面：车间级生产信息集成：主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、PC机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。管理层信息网络：即支撑工厂管理层MIS系统的计算机网络。主要完成如ERP的信息系统。SCADA系统：特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术的SCADA系统，如城市供水或污水管网的SCADA系统、水利水文信息监测SCADA系统等。个别的控制系统网络：个别要求高可靠性和一定实时性的分布式控制系统也有采用以太网+TCP/IP技术，并获得很好的效果；如水电厂的计算机监控系

5、统。自动化系统和管理管理的融合，WEB技术和无线等应用促使自动网络采用通用的Ethernet。Ethernet本身的迅速发展，在性能价格上还有改善空间。Ethernet，TCP/IP本身为互操作性问题铺平了道路。在单元和模板以上，Ethernet已具有优势。在传感器级别性价比还不具竞争力。在仪表等领域，Ethernet要满足本安型应用有一定难度，也很难满足对仪表供电等要求。促进工业Ethernet应用对中国产业界的影响及建议由于没有一种总线在中国占压倒性优势，跟踪并采用国际先进和技术可以发挥后发优势。采用开放、免费并且知识产权限制的技术Ethernet和TCP/IP，可以节约资金，并有得自主知

6、识产权技术的开发。减少专有网络的影响，有利于形成公平的市场竞争环境。采用Ethernet和TCP/IP等开放的技术，为参与国际技术竞争创造良好的条件。网卡的作用 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 网卡的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。 CPU高速缓存存储器I/O 总线至局域网网络接口卡（网卡）串行通信并行通信以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差

7、错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 争用期使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 二进制指数类型退避

8、算法 (truncated binary exponential type)发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 争用期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后

9、续的数据就不会发生冲突。 最短有效帧长：如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 强化碰撞：当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。6.3 以太网通信协议物理层：传统以太网的连接方法： 传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的

10、物理层。 10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC以太网的 MAC 层MAC 层的硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。第 1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一

11、标志符 OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80二进制表示的 EUI-48 地址：第 1 字节第 6 字节I/G 比特I/G 比特字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字

12、节MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP

13、数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个

14、字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节用集线器使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端

15、口. 局域网扩展网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址端口网桥网桥优点：过滤通信量。 扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。存储转发增加了时延。 缺点：在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 使用网桥的优缺点 1990 年问世的交换式集线器(switchi

16、ng hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。 多端口网桥以太网交换机 高速以太网100BASE-T 以太网速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上

17、传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s吉比特以太网允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协

18、议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：1000BASE-SX SX表示短波长1000BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 10 吉比特以太网10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。

19、10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。 吉比特以太网的物理层 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。这种工作方式的好处是： 成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。 6.4 以太网

20、与现场总线技术的比较(1) 物理层现场总线A. 传输介质：多数采用屏蔽双绞电缆（RS-485）、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。 B. 插件：各种防护等级工业级的接插件。 B 线供电及本质安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。 D. 编码：异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。 E. 传输速率：9.6k12M 以太网A. 传输介质：UTP3类线、UTP5类线、 屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输的解决方案。 B. 插件：RJ45、AUI、BNC C. 总线供电及本质安全：无。 D. 编码：同步、曼

21、彻斯特编码。 E. 传输速率：10M、100M (2) 介质访问控制方式 现场总线：现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的；实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者/客户（producer/consumer） 以太网：CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)是以太网（或IEEE802.3）采用的介质访问控制方式，如果不是这样就不是以太网（或IEEE802.3）；比如采用令牌调度方式，应是基于IEEE 802.4令牌总

22、线网。 根据CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机理，它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网与CSMA/CD具有对等的技术内涵，可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性和确定性网络。（3）传输效率：不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中，除了有效传输数据之外，还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映的网络有效数据传输的效率，或者说反映一次有效数据传输的代价。 传输效率=有效数据长/全部附加字段长+有效数据长 以太网全部附加字段长=26字节最大有效数据长=1500字节最小有效数据长=1字节（小于46时填0）最大传输效率=1500/（150

23、0+26）=98.3%最小传输效率=1/（1+26+45）=1.39% 现场总线PROFIBUS全部附加字段长=11字节最大有效数据长=244字节最小有效数据长=1字节最大传输效率=244/（244+11）=95.69%最小传输效率=1/（1+11）=8.33% 以太网的优势高速10M/s、100M/s及更快比其它媒介处理更多信息普遍认知很多书籍很多经验丰富的技术人员很多可选的媒介铜线光纤短距离无线长距离无线拨号连接性多协议HSE其它6.5 Ethernet用于工业自动化需要解决的问题Ethernet用于工业自动化有以下4个问题需解决。 实时性问题 Ethernet如何满足现场环境问题 工业控

24、制中使用Ethernet如何获得技术支持Ethernet与网络安全问题1 实时性问题实时性就是信号传输足够快加上确定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制实时要求。Ethernet发展的现实是：交换式100M Ethernet已广泛应用，能提供足够的带宽和减少冲突。全双工网络和具优先权的传送机制得保证确定性。 典型的工业应用，峰值负载为10M Ethernet的5%，在100M Ethernet网络负载为0.5%，而Ethernet只有当负载达40%以上时才会有明显的延迟现象。 在100M Ethernet网中，发送一个包延时超过

25、2ms的状况，5年也不会发生一次。美国电力研究院的实验结果可保证4ms以内。Network Topology with SwitchFull Duplex,Message PriorityFast development!Preferably high speed2 Ethernet如何满足现场环境问题Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中，Ethernet抗干扰性能较差。若用于危险场合，它不具备本安特性，也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应

26、用领域，在极端条件下网络也能稳定地工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschman公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。 美国NET silicon公司研制的工业Ethernet通信接口芯片，每片价格已降至10-15美元，与现场总线芯片相比，具有很大价格优势。 现在的工业Ethernet现场总线采用一种称为连接装置（linking device）类似带开关的集线器结构，很好地解决了Ethernet的时间确定性问题。目前，PROFIBUSDeviceNet,ControlNet和Lo

27、nWorks等都打算使用Ethernet。这些公司都在研究通过隧道（Turnnel）的简单传输机构，使用Ethernet传送报文。本质安全和总线供电本质安全：与隔爆型技术相比，本质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段。实现本质安全的关键技术为低功耗技术和本安防爆技术。由于以太网收发器本身的功耗都比较大（6070mA5V工作电源)，基于以太网的低功耗现场设备和交换机的设计比较困难。对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行。总线供电：指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对现场设备的总线供电可采用以下方法：方法一：在目前以太网标准的基础上适当修改物理层的技术规范，将曼

28、彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。采用这种方法时必须注意，修改后的以太网应在物理层上与传统以太网兼容。方法二：不改变目前以太网的物理层结构，即应用于工业现场的以太网仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源。相比而言，第一种方法虽然实现了与传统DCS以及FF、Porfibus等现场总线所采用的总线供电法相一致，做到了一线二用，节省了现场布线，但这种基于这种修改后的以太网设备与传统以太网设备不再能够直接互连，而必须增加额外的转接设备才能实现与传统以太网设备(如计算机的以太网卡)的连接。刚推出的IEEE802.3af标准也

29、对总线供电进行了规范。3 在工业控制中使用Ethernet如何获得技术支持国际上成立了工业Ethernet协会（www.lndustrial.E）和IAONA（），并与研究中心等机构合作，开展工业Ethernet关键技术的研究。美国电气工程师协会（IEEE）正着手制定现场装置与Ethernet通信的新标准该标准。该标准让网络直接看到对象（object）。这些工作为Ethernet进入工业自动化的现场级打下了基础。 为适应市场趋势，全球主要自动化厂商和组织加强了工业Ethernet实现。法国施奈德公司：4年前推出透明工厂战略，使其成为工业Ethernet应用的坚决倡导者。ModbusTCP/IP

30、（1998）是目前工业Ethernet事实了标准，并促进Ethernet在传感器和设备级的应用。 德国门子公司：1998年发布工业Ethernet白皮书，并于2001年发布其工业Ethernet的规范，称为PROFINET。美国洛威尔自动化公司：2000年发布工业Ethernet规范，称为Ethernet/IP。基金会现场总线FF：2000年发布工业Ethernet规范，称为HSE。4 Ethernet与网络安全问题在工厂运用互联网技术并不意味着工厂网络一定要连接到互联网。采用网络的工厂，连入互联网均使用TCP/IP。这样就面临互联网类似的安全问题。安全隐患：病毒、工业间谍、黑客、软件BUG、

31、恐怖主义。黑客的动机：金钱、信息、恐怖主义、破坏、政治等，工业现场相对较少吸引力。物理连接管理提高安全性：PLC操作系统是专有的，不易受到黑客、病毒的侵略。 RAS、VPN提供远程访问：硬件身份识别。可提供多种安全机制：用户密码、数据加密、防火墙等。随着生物信息技术的发展，指纹、声音等生物信息将提高网络的安全性。有些公司已推出了完全以工业Ethernet为基础的控制系统，其工厂级、监控级和现场级均采用基于TCP/P通信协议的工业Ethernet，配备Wed server功能，这种趋势愈来愈明显。人们预测Ethernet/IP将会十分迅速地进入工业控制的各级网络。基于TCP/IP的Etherne

32、t构成的工厂网络的最大优点是将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成了畅通的透明网络，并与WEB功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。实现所谓透明工厂：开放的商业化技术的应用 基于IT/Internet技术的产品开发：嵌入式网页服务器和浏览器提供对PLC数据的访问时间和可视化；采用开放的网络策略 TCP/IP，物理层Ethernet；创建现有的PLC作为“内容提供商”，嵌入式服务器插件和OPC server。基于TCP/IP的Ethernet在工业自动化中的应用Ethernet及其应用层协议Ethernet/IPEthernet只提供了物理层和链路层协议

33、，且通常与TCP/IP等协议结合应用。由于应用层协议不同，因此难以保证其互操作性。传输控制协议/网际协议（TCP/IP）是Internet的网络层和传输层协议。在商业领域，它的互操作性由Internet的应用层的文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）和他公共协议保证；在自动化领域，尚无标准的应用层，各自动化厂商都有自己的应用层，如Mod bus Ethernet TCP/IP就是一种应用层协议。当前，多个组织正为工业自动领域的TCP/IP定义公共应用层协议。例如，面向制造自动化的Ethernet，产生了一种基于控制和信息的协议（CIP）的新型Ethernet：工业实时Ethernet。这是为

34、传输控制协议/用户数据协议/协议（TCP/UDP/IP）定义的、基于主机/客户机的控制和信息协议。Ethernet的CIP称为Ethernet/IP。 CIP是工业控制应用层协议，提供访问数据和控制设备操作的服务集。采用UDP/IP和TCP/IP作为Ethernet网上的控制和信息协议，允许发送显式（信息）和隐式（控制）报文。其中，隐式报文是对时间有苛刻要求的I/O信息（事件触发、控制器互锁等），通过UDP/IP完成的隐式报文中数据区包含实时I/O数据（CIP的控制部分）；显式报文是无时间苛刻要求的点对点信息，可由TCP/IP完成（CIP的信息部分）。CIP向终端用户提供了自动化系统必不可少的

35、控制、组态、数据采集服务功能。为面向自动化领域提供了Ethernet网上的工业自动化设备的互操作性和可换性.以下为工作重点：IP地址即插即用互操作的通用策略、装置描述和恢复机制；网络诊断议案；使用WEB技术；一致性测试需求；消除协议间的差异的应用接口。OPC DX是一个开放的标准，提供了可互操作的数据交换和以太网上的通信。它是已存在的OPC数据访问规范的扩充，它还扩充了运行时间内的数据共享交换及实时协议应用的独立性。利用扩充的OPC接口，可以协调和互联不同现场总线组织的不同协议。以太网技术改进路线以太网全面进入工厂底层成为设备连接主要网络技术，需要： (1) 改进物理层 A. 传输介质应包括多

36、种工业级护套和铠装电缆、光纤等. B. 各种防护等级工业级的接插件。 C. 应该具有总线供电及本质安全的解决方案, 用于流程控制及要求防爆功能的场合。(2) 如何满足实时性和确定性要求? 提高带宽、减少碰撞是最直接的办法。以太网在CSMA/CD技术基础上也有一些改进，如应用智能集线器、交换机技术等，但没有从机理上保证通信的实时性和确定性。 进一步解决这个问题有软件和硬件两种思路；硬件方案是设计新型智能网络交换设备，不走增加带宽的老路；软件解决是在一定带宽资源基础上，由软件调度实现实时、确定性通信功能。 (3) 成本：以太网进入现场层，单站点成本是必需考虑的因素；与目前现场总线产品竞争。 以太网

37、能否取代现场总线技术成为统一的工业网络标准 （1） 现场总线是专为工业现场层设备通信设计，是为自动化量体裁衣的技术。以太网设计初衷是办公网，用于数据处理。从技术比较出发似乎很容易得出结论。但技术发展受社会政治、经济影响，市场因素很大程度左右技术走向，回顾计算机发展历史，这种先例不胜枚举。因此，以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术，特别是采用TCP/IP协议可与互连网Internet连接, 是未来eManufactory的技术基础。在设备层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也可以有部分市场。在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。 （2

38、） 一体化与多元化并存 面对这样一个多种工业总线技术并存的现状，我们应该有一个豁达的心态。哲学家告诉我们，一体化与多元化是一对互为依存的矛盾，将长时间共存与竞争；以太网反映了人们要求技术标准化、一体化的愿望，而现实是不能用一种技术覆盖各行业所有不同需求。IEC61158的发展历程就给了我们一个深刻的启示，我们必须学会面对一个多种工业总线技术竞争和共存的现实世界。 附1. OPC技术介绍OPC是Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control的缩写，是微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用。OPC以OLE/COM/DCOM技术为基

39、础，采用客户/服务器模式，标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。采用这项标准后，硬件开发商为自己的硬件产品开发统一的OPC接口程序，而软件开发者可免除开发驱动程序的工作，充分发挥自己的特长，把更多的精力投入到其核心产品的开发上。这样不但可避免开发的重复性，也提高了系统的开放性和可互操作性。OPC规范是由OPC基金会制定的一个工业标准，它规范了过程控制和自动化软件与工业现场设备之间的接口。 1 OPC技术的产生随着工业生产的不断发展，工业控制软件取得了长足的进步。然而，由于生产规模的扩大和过程复杂程度的提高，工业控制软件设计面临着巨大的挑战，那就

40、是要集成数量和种类不断增多的现场信息。在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息共享是通过驱动程序来实现的，不同厂家的设备又使用不同的驱动程序，迫使工业控制软件中包含了越来越多的底层通信模块。另外，由于相对特定应用的驱动程序一般不支持硬件特点的变化，这样使得工业控制软硬件的升级和维护极其不便。还有，在同一时刻，两个客户应用一般不能对同一个设备进行数据读写，因为它们拥有不同的、相互独立的驱动程序，同时对同一个设备进行操作，可能会引起存取冲突，甚至导致系统崩溃。OPC技术的出现则很好的解决了这些问题。Before OPCSoftwareDriverSoftwareDrive

41、rSoftwareDriverSoftwareDriverDisplayApplicationTrendApplicationReportApplicationWith OPCa standard information interchange based on Microsofts OLE, called OPC. Suppliers deliver an OPC Server for its control subsystem. The OPC client access the server for visualization, logging, SCADA, etc. DisplayA

42、pplicationTrendApplicationReportApplicationOPC clientOPC clientOPC clientSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverOPC serverOPC serverOPC serverOPC serverOPC as integration toolAn OPC server is also a convenient way to access raw and processed application data in a server. OPC data ca

43、n be easily read in any Microsoft Office applicationsource: Siemens WinCC2 OPC规范概述OPC是一个工业标准，包括一整套接口，属性和方法的标准集，提供给用户用于过程控制和工业自动化应。Microsoft的OLE/COM技术定义了各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据，从而使得OPC能够提供通用的接口用于各种过程控制设备之间的通讯，不论过程中采用什么软件和设备。其发展动态如 OPC标准表所列。 标准版本 内容Data Access3.0,2.0,1.0 数据访问规范Alarms and Events1.10,1.00

44、报警和事件规范Historical Data Access 1.0 历史数据存取规范Batch2.0,1.0 批量过程规范Security1.0安全性规范Compliance2.00.2数据访问标准的测试工具OPC XML1.00,0.18 过程数据的XML规范OPC eXchange1.0数据交换规范OPC Commands正在开发 命令规范OPC Common I/O正在开发 公共I/O规范OPC Complex Data正在开发 复杂数据规范OPC技术的实现由两部分组成，OPC服务器和OPC客户应用部分。其应用模式如图1所示。OPC服务器完成的工作就是收集现场设备的数据信息，然后通过标准

45、的OPC接口传送给OPC客户端应用。OPC客户端则通过标准的OPC接口接收数据信息。在具体的实现过程中，用户可以根据自己的需要挑选相应的规范来使用。其中数据访问规范提供给用户访问实时过程数据的方法；报警和事件规范提供了一种由服务器程序将现场的事件或报警通知客户程序的机制；历史数据存取规范用来提供用户得到存储在过程数据存档文件，数据库或远程终端设备中的历史数据以及来分析这些历史过程数据的方法。其他规范不在此一一介绍。 OPC hides the PLC detailsNetworkcontroller developmentOPCserverReactor_1Ovenanalog input t

46、o : IXD.11.2.1MW%1003MotorSpeedMW%1004Temperature.symbolsload symbol tableReadItem (OPC:Reactor1: Program2.MotorSpeed)Get (), MW%1003)Return (MW%1003, 112)Value: 112Reactor_1.Program2Program 2codeMarker: MW%1003OPC applicationOPC server(s) and client(s) in the same nodeOPC serverclient application(O

47、PC client)OPC serverOPC serverclient application(OPC client)clients and servers run as parallel processes。 the OPC specification defines the interface between client and server in the form of objects and methods.devicesdevicesdevicesdevicesnodeOPC client and server on the same node(local)OPC serverc

48、lient application(OPC client)fieldbus(local)OPC serverFB ManagerfieldbusPLCFB agentfieldbusPLCFB agentdirect connectionfieldbus connectioncan also be a point-to-point linkclient application(OPC client)proprietary protocolThe OPC server is runningall the time, as soon as atleast one client is present

49、I/O devicesclients and servers run as parallel processesAccessing another node by DCOMTCP/IPwrapperDCOMTCP/IPOPC serverDCOMTCP/IPOPCserverDCOMFB Manager fieldbusDCOMclient application(OPC client)Full-fledged OLE across multiple nodesOPC serverfor BrandYapplication 1(OPC client)Fieldbus YFieldbus Xdr

50、iversOPC serverfor BrandXOPC serverfor simulationpanelapplication 2(OPC client)The OPC servers supports multiple clients and servers on the same, or on remote nodes. they run as separate processes (as soon as at least one client is requesting them)OPC serverfor BrandZTCP/IPTCP/IPinput / output to pl

51、antEthernetapp3node 1connectivity nodeOPC technologyTransport(TCP-IP, UDP, Queued)ActiveX(Distributed) Component Object Model(COM / DCOM)Object Linking and Embedding (OLE)EthernetOLE for ProcessControl (OPC)OPC bases on Microsofts COM/DCOM technology (i.e. it only works on Windows platforms). Effort

52、 to port it to other platforms (Linux) and transport (XML) are in progress. Advantages are the direct integration into all applications, such as Excel. only betweennodesOPC server structureOPC/COM InterfacesOPC Group & Item ManagementItem Data Optimization and MonitoringDevice Specific Protocol Logi

53、cHardware Connection ManagementExample: ABB AC800 OPC ServerNote that variables are defined in the server, not in the PLC.AC800 OPCserverTCP/IPAIP(OPC client)MMSseparate processesMatrikonOPC clientControlBuilderconfiguration3采用OPC规范设计系统的益处 1）采用标准的Windows体系接口，制造商为设备提供一个接口程序，软件制造商也仅需要开发一套通讯接口程序。2）OPC规

54、范以OLE/DCOM为技术基础，支持TCP/IP等网络协议，可将各个子系统分布于网络的不同节点上。 3）OPC按照面向对象的原则，将一个应用程序（OPC服务器）作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从底层的开发中脱离出来。 4）OPC实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无关，便于系统硬件配置，使系统的应用范围更广。 5）采用OPC规范，便于系统的组态，将系统复杂性大大简化，可以大大缩短软件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。 6）OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统的接口。4 OPC技术的应用由于OPC技术的采用，使工业控制可以结构简单的、寿命长、更低价格。设备与系统连接也简单、灵活、方便。OPC技术在工业控制领域主要应用领域如下：1）数据采集技术。现在众多硬件厂商提供的产品均带有标准的OPC接口，OPC实现了应用程序和工业控制设备之间高效、灵活的数据读写，可以编制符合标准OPC接口的客户端应