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1、工业以太网与现场总线的优缺点 1 引言 用于办公室与商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年 来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向 分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议与网络 的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控 制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线 尚不能满足这些要求。 现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容， 不同公司的控制器之间不能实现高速的实时
2、数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自 动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。同时现场总线的传输 速率也远远不如工业以太网传输速率快。 2 以太网与工业以太网 2.1 什么是以太网与工业以太网 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN） 中采用的电缆类型与信号处理方法。以太网在互联设备之间以10100Mbps的速率传送信 息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而 成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的 产品都能采用通用的软件协议
3、进行通信，开放性好。 普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。 2.2 以太网具有的优点 （1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽； （2）由于具有相同的通信协议，Ethernet与TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界； （3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架； （4）在整个网络中，运用了交互式与开放的数据存取技术； （5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护与诊断工 具，成为事实上的统一标准； （6）允许使用不同的物理介质与构成不同的拓扑结构。 2.3 工业以太网的优点
4、 （1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连 具有互操作性； （2）可实现远程访问，远程诊断； （3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等； （4）网络速度快，可达千兆甚至更快； （5）支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地； （6 ）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统 安全体系； （7）可降低投资成本。 3 主流应用层协议工业以太网协议 由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实 时通信，所以必须在以太网与TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的
5、通信服务模型，制定 有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广 泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有 MODBUS/TCP,HSE, EtherNet/IP, ProfiNet 等。 MODBUS/TCP协议是法国施耐德公司1999年公布的协议，以一种非常简单的方式将 MODBUS帧嵌入到TCP帧中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种 呼叫/应答的机制与MODBUS的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。利 用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器
6、就可以查 看企业网内部的设备运行情况。施耐德公司已经为MODBUS注册了502端口，这样就可以 将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌人Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备 的操作终端。已是中国国家标准，基于Modbus协议的工业自动化网络规范 第3部分:Modbus协 议在TCP/IP上的实现指南标准号为：GB/Z 19582.32004 HSE是基金会现场总线FF于2000年发布的工业Ethernet规范，是以太网协议 IEEE802.3,TCP/IP协议族与FF H1的结合体。FF现场总线基金会将HSE定位于实现控制网络 与Internet的集成。由HSE连接设备将H1网段信息传送
7、到以太网的主干网上，这些信息可 以通过互连网送到主控室，并进一步送到企业的EPP与管理系统。操作员可以在主控室直接 使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。 EtherNet/IP是美国罗克韦尔公司于2000年发布的工业Ethernet规范，它很好地采用了 当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。IP代表Industrial Protocol,以此来与普通的以 太网进行区分。它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效的方法，允许工业现场设 备交换实时性强的数据。EtherNet/IP模型由IEEE802. 3标准的物理层与数据链路层、以太网 TCP/IP协议与控
8、制与信息协议CIP三部分组成。CIP是一个端到端的面向对象并提供了工业 设备与高级设备之间的连接的协议，CIP有两个主要目的，一是传输同1/O设备相联系的面 向控制的数据，二是传输其它同被控系统相关的信息，如组态、参数设置与诊断等。CIP协 议规范主要由对象模型、通用对象库、设备行 规、电子数据表、信息管理等组成。 ProfiNet是德国西门子公司于2001年发布的工业Ethernet的规范。该规范主要包括三 方面的内容:1）基于组件对象模型（COM）的分布式自动化系统;2）规定了ProfiNet现场总 线与标准以太网之间开放透明通信;3）提供了一个独立于制造商，包括设备层与系统层的系 统模型
9、。ProfiNet的基础是组件技术，在ProfiNet中，每一个设备都被看成一个具有COM接 口的自动化设备，同类设备都有相同的COM接口。在系统中可以通过调用COM接口来调 用设备功能。组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间可以混合使用，简 化了编程。每一个智能设备都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程 来实现。同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口。为不同厂家的设备之 间提供了良好的互换性与互操作性。已是中国国家标准指导性标准，标准号：国家标准化 指导性技术文件GB/Z 205412006 PROFINET规范 我国第一个拥有自主知识产权的现场
10、总线国家标准EPA在国际标准化工作中取得了重 大突破，已通过IEC/SC65C会员国家的投票被IEC发布为IEC/PAS 62409标准化文件作为第 10类型列入实时以太网国际标准IEC 617842 并将收录为现场总线国际标准IEC 61158第四 版，成为中国第一个被国际标准化组织接收与发布的工业自动化标准。 4 工业以太网的前景 以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正 迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展，高档 的微处理器作为I/O处理器与控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式 操作系统使控制器易
11、于实现TCP/IP协议，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为 控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。过程控制工业与自动化工业,从嵌入 式系统到现场总线控制系统,都认识到了以太网与TCP/IP 的重要性,以太网与TCP/ IP 作为世 界上最为广泛应用的网络协议,它将成为过程级与控制级的主要传输技术。带TCP/ IP 协议的 标准的以太网接口现在已经在智能设备与I/ O 模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行 直接地、无缝地连接,而无需任何专用设备。因此可以说,工业以太网在工业通讯网络中的使 用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台, 从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21 世纪未来工业网络的首选,它将在 控制与现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的 应用与发展前景。 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。 第 6 页