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1、111.2 工业网络与现代企业网络问题导入：工业网络与现场总线到底有何区别？工业以太网跟工业网络是一个概念吗？现代企业网络系统都包含哪些形式的网络？这么多工业网络有统一的标准吗？221.2.1 工业网络的定义 工业网络(Industrial networks)，是指安装在工业生产环境中的一种通信系统，它具有全数字化、双向、多站的特点。从定义上看，工业网络与现场总线的概念并没有明显的差别，事实上，这两个概念在很多场合都被直接划上了等号。从广义上讲，现场总线就是应用在工业领域的网络，是工业自动化向信息化发展的结果，是自下而上的。从狭义上讲，现场总线主要是指应用在控制层与现场设备层的数字通信网络，所
2、以又叫工业控制网络(Industrial control network)。而狭义上的工业网络主要是指工业以太网(Industrial Ethernet)，是将TCP/IP为代表的以太网应用于工业领域，是信息化向工业自动化发展的结果，是自上而下的。但从广义上讲，工业网络也包括控制层和设备层的各种通信网络。他们之间的关系可以通过图1-10来表示。33图1-10 工业网络、现场总线、工业以太网之间的关系44 现有的工业网络根据其应用场合的不同可以分为以下几类:(1)EnterpriseNet:企业的骨干网络，一般为Ethernet TCP/IP。(2)ControlBus:提供高阶控制设备(例如P
3、LC，CNC)间的对等网络通信(Peer-to-Peer)，例如ControlNet。(3)FieldBus:通常是架构在Devicebus之上，用来传输大批量的数据，但传输速度较慢。有的也提供一些设备终端控制的功能，例如WorldFIP、Foundation Fieldbus、Profibus-PA。(4)DeviceBus:它界定的范围最广，只要是能对网络化设备提供通信或诊断功能的都属于这种类型。例如CANOpen、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP。(5)SensorBus:低阶网络，通常用来连接低阶的传感器、执行器等现场设备，传输数据量最少，例如AS-i、In
4、terbus-S。上述五类工业网络中，第1-2类属于工业以太网范畴，第2-4类属于现场总线范畴，第5类由于并非完全数字化通信，严格意义上并不属于现场总线，但也是一种工业网络。551.2.2 工业以太网的定义 如果把现场总线比喻成公路交通，那么工业以太网就可以比喻成铁路交通，它具有更加统一的通信标准、更快的通信速度、更远的通信距离，以及更大的数据承载量。同样，与铁路很难实现“家门到家门”一样，工业以太网也同样较难实现现场节点到现场节点。所谓工业以太网，是一种在技术上与商用以太网(IEEE802.3标准)兼容的区域和单元网络，但同时它在材质的选用、产品的强度和适用性方面又能满足工业现场的需要。目前
5、工业以太网主要应用在企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet)等领域，而且随着其可靠性的提升，工业以太网不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化领域。并且，继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标准)也已成功运行多年。66 工业以太网技术的优点表现在：良好的兼容性和扩展性，使其易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富
6、；可持续发展的空间大等等。一个工业以太网系统应以下三类网络器件：网络部件(工业PC、PLC、办公PC等)、连接部件(路由器、网关、交换机等)、以及通信介质(双绞线、屏蔽双绞线、光纤等)。当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。可惜的是，到目前为止，还没有统一的应用层协议，但有4种主要协议:HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP已经开发出相应产品并受到广泛支持。771.2.3 现代企业网络系统的结构 图1-11是以现场总线为基础的企业网
7、络系统示意图。该系统按功能结构划分为以下三个层次：企业资源规划层ERP(Enterprise Resource Planning)、制造执行层MES(Manufacturing Execution System)以及现场控制层FCS(Field Control System)。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业网络系统。88图图1-11 1-11 以现场总线为基础的企业网络系统示意图以现场总线为基础的企业网络系统示意图99 企业网络系统早期的结构比较复杂，功能层次较多，包括控制、监控、调度、计划、管理、经营决策等。随着互联网技术的发展和普及，企业网络系统的结构层次趋于扁平化。同时
8、对功能层次的划分也更为简化。下层为现场总线所处的现场控制层FCS，最上层为企业资源规划层ERP，而将传统概念上的监控、计划、管理、调度等多项控制管理功能交错的部分，都分配在中间的执行层MES中。由于ERP与MES功能大多采用以太网技术构成信息网络，网络节点多为各种计算机及外设。随着互联网技术的发展，ERP与MES层之间的网络集成和它们与外界互联网之间的信息交互问题得到了较好解决，其信息集成相对比较容易。图1-11中PROFIBUS等现场总线网段与工厂现场设备连接，构成现场控制层FCS，它是企业网络的基础。目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，有形形色色的现场总线，再加上DCS、PLC、SC
9、ADA等，本层网络内部的通信一致性很差。控制网络从通信协议到网络节点类型，都与数据网络存在较大差异。使得控制网络之间、控制网络与外部互联网之间实现信息交换的难度较大，实现互连和互操作存在较多障碍。因此，需要从通信一致性、数据交换技术等方面入手，改善控制网络的数据集成与交换能力。1010 图1-12为企业网络系统各功能层次的信息传递示意图。可把它视为图1-11的简化形式。从图中可以看到，除现场控制层FCS之外，上层的ERP和MES都采用以太网。图1-12清楚的描绘了各层的网络类型、网络节点设备、信息传递的流向等。图1-12 企业网络系统各功能层次信息传递示意图11111.2.4 多种工业控制网络
10、的集成 随着技术的不断发展，现场总线不再只局限于数据通信的技术范畴，各种控制功能块、控制网络的网络管理、系统管理内容的不断扩充，使现场总线系统逐渐成为网络系统与自动化系统的结合体，形成了控制网络技术。而现场总线控制网络与互联网的结合，使控制网络又进一步拓宽了作用范围。控制网络由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而构成。它采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。图1-13为简单控制网络的示意图。这是一个位于生产现场的网络系统，网络在各控制设备之间构筑起沟通数据信息的通道，在现场
11、的多个测量控制设备之间、以及现场设备与监控计算机之间，实现工业数据通信。这又是一个以网络为支撑的控制系统，依靠网络在传感侧量、控制计算、执行器等功能模块之间传递输入输出信号，构成完整的控制系统，完成自动控制的各项任务。1212图1-13 简单控制网络示意图 相对普通计算机网络系统而言，控制网络的组成成员种类比较复杂。除了作为普通计算机网络系统成员的各类计算机、工作站、打印机、显示终端之外，大量的网络节点还包括各种可编程控制器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等，其中大部分节点的智能程度远不及计算机。有的现场控制设备内嵌有CPU、单片机或其他专用芯片，有的只是功能相当简单的非智能设备。1313 控
12、制网络是一种比较特殊的计算机网络。它应用于生产现场，是用于完成自动化任务的网络系统。其应用涉及范围很广，例如离散、连续制造业，交通、楼宇、家电，甚至农、林、牧、渔等行业。其网络规模可以从两三个数据节点到成千上万台现场设备。一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O节点，石油炼制过程中的一个普通装置也会有上千台测量控制设备。由它们组成的控制网络，其规模相当可观。控制网络的出现，使自动化系统原有的信息孤岛的僵局发生了转变，为工业数据的集中管理与远程传送，为自动化系统与其他信息系统的沟通创造了条件。控制网络与办公网络、Internet的结合，拓宽了控制系统的视野与作用范围。为实现企业的管理控制一体化
13、、实现远程监视与操作提供了基础条件。让操作远在数百公里之外的电气开关、在某些特定条件下建立无人值守机站等成为了可能。控制网络的出现，导致了传统控制系统结构的变革，形成了以网络作为各组成部件之间信息传递通道的新型控制系统，即网络化控制系统NCS。网络成为这种新型控制系统各组成部分之间信息流动的命脉，网络本身也成为控制系统的组成环节之一。1414 控制网络改变了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。网络化控制系统则借助网络在传感器、控制器
14、、执行器各单元之间传递信息，通过网络连接形成控制系统。如图1-14所示比较了网络化控制系统与传统控制系统的结构。这种网络化的连接方式简化了控制系统各部分之间的连线关系，为系统设计、安装、维护带来很多方便。图1-14 网络化控制系统与传统控制系统的结构比较1515 从以上讨论可以看到，无论从哪个角度看，现场总线系统都处于企业网络的底层，或者说，它是构成企业网络的基础。现场总线系统在企业网络中的作用主要是为了自动化系统传递数字信息，借助现场总线把控制设备连接成控制系统。它所传递的数字信息主要包括生产运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修
15、改、零点量程调校信息等，他们是企业信息的重要组成部分。企业的管理控制一体化系统需要控制信息的参与，生产的优化调度需要实现装置间的数据交换，需要集成不同装置的生产数据。这些都要求在现场控制层内部，在FCS与MFS、ERP各层之间，能实现数据传输与信息共享。现场总线系统在实施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发挥着重要作用。由于现场总线系统所处的特殊环境及所承担的实时控制任务，现场总线技术是普通局域网、以太网技术所难以取代的，因而它至今依然保持着在现场控制曾的地位和作用。但是它需要与上层的信息网络、与外界的互联网实现信息交换，以拓宽控制网络的作用范围，实现企业的管理控制一体化。
16、1616 目前，控制网络与上层网络的连接方式一般有以下三种：一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上。图1-15画出了通过网关连接控制网段与上层网络的示意图。二是将现总线网卡和以太网卡都置入工业PC的PCI插槽内，在PC内完成数据交换。图1-16中采用现场总线的PCI卡，实现控制网段与上层网络的连接。三是将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互。这是近年来互联网技术直接应用于现场设备的结果，但它需要有一直延伸到生产底层的以太网支持。正是因为控制设备内嵌WEB服务器，使得控制网络的设备有条件直接通向互联网
17、，与外界直接沟通信息。现场总线系统与上层信息网络的连接，使互联网信息共享的范围延伸到设备层，同时也拓宽了测量控制系统的视野与工作范围，为实现跨地区的远程控制与远程故障诊断创造了条件。人们可以在千里之外查询生产现场的运行状态；方便地实现偏远地段生产设备的无人值守；远程诊断生产过程或设备的故障；在办公室查看并操作家中的各类电器等等。1717图1-15 现场总线控制网段与信息网络之间的网关连接图1-16 采用PCI卡连接控制网段与上层网络18181.2.5 现场总线的各种标准 自上世纪六七十年代开始，欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力，研究开发现场总线技术，出现了百花齐放、兴盛发展的态势
18、。据说，世界上已出现各式各样的现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种。有些已经在特定的应用领域显示了各自的特点和优势，表现了较强的生命力。出现了各种以推广现场总线技术为目的的组织，如PROFIBUS协会，LonMark协会，现场总线基金会(Fieldbus Foundation)，工 业 以 太 网 协 会 IEA(Industrial EtherNet Association)，工 业 自 动 化 开 放 网 络 联 盟 IAONA(Industrial Automation OpenNetwork Alliance)等。并形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准
19、。这种多标准现状的本身就违背了标准化的初衷。标准的一致性无疑会有益于用户，有益于促进该项技术本身的发展。形形色色的现场总线使数据通信与网络连接的一致性不得不面临许多问题。1919 国际标准化组织ISO、IEC都卷入了现场总线标准的制定。最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO-11898标准。但IEC/TC65主持的制定现场总线标准的工作历经了20多年的坎坷。其负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。它于1984年就开始着手总线标准的制定，初衷是致力于推出世界上单一的现场总线标准。作为一项数据通信技术，单从应用需要与技术特点的角度，统一
20、通信标准应该是首选。但由于行业、地域发展历史和商业利益的驱使，以及种种经济、社会的复杂原因，总线标准的制定工作并非一帆风顺。IEC现场总线物理层标准IEC61158-2诞生于1993年，从数据链路层开始，标准的制定一直处于混乱状态。在历经了波及全球的现场总线标准大战之后，迎来的依然是多种总线并存的尴尬局面。IEC于2000年初宣布：由原有的IEC61158；ControlNet；PROFIBUS；P-Net；HighSpeedEtherNet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S八种现场总线标准共同构成IEC现场总线国际标准子集。2020 而近两年正在进行
21、的实时以太网的标准化进程又重蹈覆辙，有11个基于实时以太网的PAS文件(PASCAL源程序文件)进入了IEC61784-2，它们是：EtherNet/IP，PROFINET，P-Net，Interbus，VNET/IP，TCnet，EtherCAT，EtherNet Powerlink，EPA，Modbus-RTPS，SERCOS-III。这些结果都违背了当初制定单一现场总线标准的初衷，令人无奈的多种总线并存依然是今后相当长一段时期不得不面对的现实。相比较而言，IEC/17B的工作要顺利得多。它负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准，即IEC 62026国际标准已经通过。该标准
22、包括ASI，DeviceNet，SDS(Smart Distributed System)，Seriplex。在国际标准组织制定各种现场总线标准的同时，各个国家和地区也在纷纷制定自己的现场总线标准。例如：丹麦国家标准DSF21906：P-Net、德国国家标准DIN19245(1-4)：ProfiBus-FMS/ProfiBus-DP/ProfiBus-PA、法国国家标准FIPC46601-607：WorldFIP、日本JEMA标准CC-Link、美国国家标准ANSI/NEMA以等同方式支持的ISA/IEC标准草案、欧洲标准EN50254(CLC65CX)、欧洲标准EN50295(CLCTC17
23、B)等等。2121 中国也早在上世纪八十年代就开始着手制定各种现场总线规范，从最早的821总线、VXI总线，逐步地在向着国际标准靠拢。目前，在国内的现状也是多种总线并存，值得一提的是，还没有一种总线标准是由中国倡导并提出的。目前在各种国家标准中涉及到的总线规范包括PROFIBUS、CC-LINK、PROFINET、INTERBUS、ControlNet和EtherNet/IP等。具体见表1-3。2222编号编号中文名称中文名称英文名称英文名称GB/T 7497.1-1987微处理机系统总线8位及16位数据第一部分:电气与定时规范的功能说明Microprocessor system bus-8-
24、bit and 16-bit data-Part 1:Functional description with electrical and timing specificationsGB/T 13724-1992821总线至字节数据微处理机系统总线821BUS-Microprocessor system bus for 1 to 4 byte dataGB/T 14241-1993信息处理处理机系统总线接口(欧洲总线A)Information processing-Processor system bus interface(Eurobus A)GB/T 16612-1996音频、视频及视听系
25、统家用数字总线(D2B)Audio，video and audiovisual systems-Domestic digital bus(D2B)GB/T 16657.2-1996工业控制系统用现场总线第2部分:物理层规范和服务定义Fieldbus standardfor use in industrial control system-Part 2:Physical layer specification and service definitionGB/T 18471-2001VXI总线系统规范VXIbus system specificationsGB/T 19244-2003信息技术高
26、性能串行总线Information technology-High performance serial busGB/Z 19760-2005控制与通信总线 CC-Link 规范CC-Link(Controlcommunication Link)SpecificationsJB/T 10308.8-2005测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型8：INTERBUS规范Digital data communication for measurement and control-Fieldbus for use in industrial control systems-Type 8:I
27、NTERBUS specificationGB/T 20540.1-2006测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3：PROFIBUS规范第1部分：概述和导则Digital data communication for measurement and control-Fieldbus for use in industrial systemsType 3:PROFIBUS specification-Part 1:Overview and guidanceGB/Z 20541.1-2006测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型10：PROFINET规范第1部分：应用层服务定
28、义Digital data communication for measurement and control-Fieldbus for use in industrial control systems Type 10：PROFINET Specification-Part 1:Application layer service definitionJB/T 10308.2-2006测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2：ControlNet和EtherNet/IP规范Digital data communication for measurement and control-Fieldbus for use in industrial control systems-Type 2:ControlNet and EtherNet/IP specification表1-3 国标中支持的现场总线的种类(部分节选)2323课后练习与思考1.什么是现场总线？现场总线的发展主要经历了哪几个阶段？2.工业以太网与现场总线的主要区别是什么？3.什么是DDC控制系统，它目前的主要应用场合有哪些？4.FCS与DCS各自有何优劣？5.现场总线控制系统的技术特点？6.现代企业网络系统主要包括哪些结构的网络形式？7.现行的现场总线标准主要有哪些？2424感谢聆听！