以太网在自动化领域应用现状与展望.ppt

1、以太网在自动化领域应用现状与展望,CPCC中国现场总线PROFIBUS技术中心CPPTL中国PROFIBUSBUS产品测试实验室,唐济扬,以太网在自动化领域应用现状以太网与现场总线的技术比较以太网在自动化领域能走多远以太网与现场总线相安无事还是一统天下可能的解决方案,提纲,1.以太网在自动化领域应用现状,以太网、IEEE802.3、TCP/IP协议？,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

2、)+英特尔(Intel)公司联合推出以太网(EtherNet)规约ETHE801982年：修改为第二版，DIXEthernetV2,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，如图1所示：,IEEE802.3,1983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IEEE802.3IEEE802.3的技术特点：采用CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测

3、)作为IEEE802.3的介质访问控制技术。因此，IEEE802.3又称为具有CSMA/CD的网络。因此:“以太网”应特指DIXEthernetV2,它与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。IEEE802.3CSMA/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

4、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,TCP/IP？,TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一组通信协议。TCP/IP协议组的准确名称应该是internet（互连网）协议族，TCP和IP是其中两个协议。而internet协议族TCP/IP还包含

5、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。如图2所示：,TCP/IP？,以太网？IEEE802.3？TCP/IP?,“以太网”通常是指IEEE802.3;有些应用中还使用了TCP/IP协议,可用“以太网+T

6、CP/IP”来表示,以太网在自动化领域的应用,以太网技术特点:CSMA/CD、办公网、商务网TCP/IP技术特点：互连网协议以太网+TCP/IP在IT行业得到广泛应用；为什么：以太网+TCP/IP在自动化领域的应用得到关注？,以太网在自动化领域的应用,自动化技术发展需求：从单机控制向工厂自动化FA、系统自动化方向发展。工厂自动化FA要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。,ERP*-EnterpriseResourcePlan企业资源计划MES*-ManufactoryExecutionSytem制造执行系统Automation*-车间底层的设备自动化,以太网在自动化领域的应用,车间底

7、层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络是FA、CIMS的基础,工厂管理层,生产控制层,工厂信息纵向集成的透明通信,现场总线技术的产生,现场总线(FeildBus)”:连接工厂底层设备之间的数字通信网络.工业自动化行业将车间设备层称为”现场（Field）”,一条通信电缆连接若干设备的通信网络称”总线(Bus)”,现场总线技术是计算机数字通信技术在自动化领域的应用,为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了技术平台.,现场总线PROFIBUS,PROFIBUS-DP是设备层现场总线,用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场控制设备（如驱动器、检测设备、HMI等）之间的通信总线；PROFIB

8、US-PA也是设备层总线，具有IEC61158-2的物理层，可实现总线供电，并有本质安全技术。PROFIBUS-FMS车间级现场总线，主要用于车间级设备监控。主要完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。设备层现场总线技术具有高速（12M）、实时、确定、可靠特点（如-DPV2可用于运动控制），传输的数据量相对较小。车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点，对网络实时性要求不高。,一个车间的现场总线应用方案-两级网络结构,PROFIBUS-FMS,标准化需求：国际现场总线技术标准-IEC61158,84年IEC提出制定现场总线技术标准；IEC

9、1158IEC1158的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准,国际现场总线技术标准-IEC61158,1998年，对IEC61158（TS）进行投票，由于IEC61158（TS）只包含了ProcessControl部分，因此，IEC61158（TS）没有通过投票，自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败。1999年12月，IEC61158委员会通过妥协方案，即IEC61158（TS）+Add.Protocols方案；其中Add.Protocols包含ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus,国际现

10、场总线技术标准-IEC61158,IEC61158发展历程告诉我们：I、工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。II、技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。,以太网进入工业自动化领域,IEC61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败，使一部分人自然转向了在IT行业已经获得成功的以太网技术。因此，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。,以太网取代现场总线？,“透明工厂”概念，取代现场总线？积极推

11、进这种技术概念的如法国施耐德公司，面向工厂自动化提出了基于以太网+TCP/IP的解决方案，称之为“透明工厂”。意思是：“协议规范统一，信息透明存取”。,以太网在自动化领域应用现状,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

12、一定实时性的分布式控制系统也采用以太网+TCP/IP技术，并获得很好的效果；如发电厂的计算机监控系统。,以太网在自动化领域应用现状以太网与现场总线的技术比较以太网在自动化领域能走多远以太网与现场总线相安无事还是一统天下可能的解决方案,2以太网与现场总线技术的比较,技术比较：以太网能否取代现场总线成为连接设备层的通信网络？2.1物理层现场总线:屏蔽双绞电缆,光纤,同轴电缆,无线传输的解决方案,各种防护等级工业级的接插件;特点:工业级标准、防爆及本征安全、总线供电。以太网:五类线,光纤,同轴电缆等解决方案。特点:IT行业标准,2以太网与现场总线技术的比较,2.2介质访问控制方式现场总线：令牌、主从

13、、producer/consumer特点:满足工业控制网络的要求：通信的实时性和确定性;以太网:CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)、数据交换技术.特点:大数据量、宽带,2以太网与现场总线技术的比较,2.3自动化设备行规为实现各种现场设备互联定义的信息规范。PROFIBUS行规：NC/RC行规(机器人、数控行规)各种速度驱动器的行规操作员控制和过程监视(HMI)行规对编码器的行规控制器间通信的行规楼宇自动化的行规低压开关装置的行规温度、压力、液位、流量变送器和定位器等行规,以太网在自动化领域应用现状以太网与现场总线的技术比较以太网在自动化领域能走多远以太网与现场总线相安无事还是一统天下

14、可能的解决方案,3.以太网在自动化领域能走多远？,（1）改造物理层:各种防护等级电缆和工业级的接插件难点：总线供电、本征安全（2）介质访问控制方式CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)实时性？确定性？增加带宽能解决问题？软件解决？硬件解决？-能走多远?,3.以太网在自动化领域能走多远？,（3）成本、市场的成功成本：与现有现场总线类产品竞争；市场：企业集团支持、成功的应用范例；,以太网在自动化领域应用现状以太网与现场总线的技术比较以太网在自动化领域能走多远以太网与现场总线相安无事还是一统天下可能的解决方案,4.以太网与现场总线相安无事还是一统天下？,（1）艰难的预测：市场与技术究竟谁怕谁？技术比较：以太网：适合IT行业的技术并在IT行业中获得成功；现场总线：专为工业自动化设计；市场的决定作用：以史为鉴：UNIX、OS2、DOS/WINDOWS、高级语言：战略决策：,4.以太网与现场总线相安无事还是一统天下？,（2）一体化与多元化并存一对互为依存矛盾，将长时间共存；即要竞争又要共存。,5。可能的解决方案就事论事看问题,(1)车间级生产信息集成更适合使用以太网设备具有RS