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一文讀懂現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)

時(shí)間:2018-06-22 16:53:33來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:?隨著傳統(tǒng)制造企業(yè)正在加快智能制造轉(zhuǎn)型的進(jìn)程,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迅速在全世界范圍內(nèi)興起。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架中,通過各類通訊方式接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品,來采集海量數(shù)據(jù)是其重要的一環(huán)。本文將介紹工業(yè)底層設(shè)備的兩種通訊方式:現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)。

隨著傳統(tǒng)制造企業(yè)正在加快智能制造轉(zhuǎn)型的進(jìn)程,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迅速在全世界范圍內(nèi)興起。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架中,通過各類通訊方式接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品,來采集海量數(shù)據(jù)是其重要的一環(huán)。本文將介紹工業(yè)底層設(shè)備的兩種通訊方式:現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)。

認(rèn)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線

回顧現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展史可知,現(xiàn)場(chǎng)總線大致出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)80年代末到90年代初期,這個(gè)時(shí)期隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大,工廠的設(shè)備有了互聯(lián)的需求(此階段的互聯(lián)需求主要定位于遠(yuǎn)程的I/O數(shù)據(jù)傳輸,以及產(chǎn)線內(nèi)部不同設(shè)備的數(shù)據(jù)交換),人們希望通過綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信息的操作控制。但是這個(gè)時(shí)候的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在系統(tǒng)封閉的缺陷,各個(gè)廠家的產(chǎn)品都是自成體系,不同廠商之間的設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,想實(shí)現(xiàn)更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限性,存在很多困難。

在實(shí)際發(fā)展過程中,涌現(xiàn)出了許多著名的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),例如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF、HAPT現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線、Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線、INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線、CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線具有各自的特點(diǎn),并形成了特定的應(yīng)用范圍。但是現(xiàn)場(chǎng)總線種類實(shí)在是太多了,采用的通訊協(xié)議也完全不同,所以至今現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)也未能統(tǒng)一,最終形成了一個(gè)多種現(xiàn)場(chǎng)總線的IEC61158的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)上有挺多這方面的資料,在此不再展開。

關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線我搜索了好多種版本的定義,但無論是百度百科,還是國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的現(xiàn)場(chǎng)總線定義,對(duì)于初學(xué)者依然是晦澀難懂。直到最近看到一種有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線的通俗解讀,才感覺豁然開朗。拿來與大家分享:現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò),它遵循ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。

初學(xué)者可以從兩方面來認(rèn)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線:第一,根據(jù)工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)(工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)),可知現(xiàn)場(chǎng)總線位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)底層,是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的好處,在于可以實(shí)現(xiàn)工廠信息縱向集成的透明通信,即從管理層到自動(dòng)化底層的數(shù)據(jù)存取。

典型的車間自動(dòng)化架構(gòu)(圖片來源網(wǎng)絡(luò))

第二,現(xiàn)場(chǎng)總線是基于ISO/OSI的七層模型,并且可以少于七層。需要指出的是,實(shí)際應(yīng)用中,ISO模型只是一個(gè)參考,不同種類的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議棧有較大區(qū)別,通常會(huì)將ISO/OSI的七層模型簡(jiǎn)化,以實(shí)現(xiàn)更低的通信延遲、更快的速度、更有利于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)特性。

ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(圖片來源網(wǎng)絡(luò))

備注:開放系統(tǒng)互連參考模型(OpenSystemInterconnect簡(jiǎn)稱OSI)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)聯(lián)合制定的開放系統(tǒng)互連參考模型,為開放式互連信息系統(tǒng)提供了一種功能結(jié)構(gòu)的框架。它從低到高分別是:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。

走進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)

鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)還是基于多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的妥協(xié),而多標(biāo)準(zhǔn)某種意義上講,就是無標(biāo)準(zhǔn)。人們開始尋求新的工業(yè)通訊出路,這時(shí)候以太網(wǎng)技術(shù)映入人們的眼簾。以太網(wǎng)技術(shù)因其技術(shù)簡(jiǎn)單、開放性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn),在辦公和商務(wù)上的市場(chǎng)占有率非常高。一些廠商(例如施耐德提出了基于以太網(wǎng)+TCP/IP的解決方案)提出了將以太網(wǎng)技術(shù)引入工廠設(shè)備底層,工業(yè)以太網(wǎng)也就隨之產(chǎn)生了。

但是以太網(wǎng)是計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中最常見的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),最初是為辦公自動(dòng)化的應(yīng)用而設(shè)計(jì),并沒有考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求,例如高溫、低溫、防塵燈問題,所以以太網(wǎng)不能直接用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。智庫百科認(rèn)為,工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及過程控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)組件及技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議,和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容,但在應(yīng)用層會(huì)加入各自特有的協(xié)議。從定義角度而言,工業(yè)以太網(wǎng)也是現(xiàn)場(chǎng)總線中的一種,就如同現(xiàn)場(chǎng)總線的各種協(xié)議一樣。

正如以太網(wǎng)適合于信息管理、信息處理系統(tǒng)一樣,工業(yè)以太網(wǎng)在工廠管理、車間監(jiān)控等信息集成領(lǐng)域也應(yīng)用的很多。工業(yè)以太網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)在于:可以滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求,使得企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一;以太網(wǎng)容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成,速度快,開發(fā)技術(shù)廣泛,硬件升級(jí)范圍廣,價(jià)格低廉,容易獲得眾多廠商的支持。

工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖(圖片來源網(wǎng)絡(luò))

但是以太網(wǎng)是一種隨機(jī)網(wǎng)絡(luò),具有通信不確定性的特點(diǎn),這使得工業(yè)以太網(wǎng)一度被打上“難以勝任高速實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)通信”的標(biāo)簽。為此,世界上的各大公司紛紛轉(zhuǎn)向研究基于以太網(wǎng)的通信確定性和實(shí)時(shí)性的問題,并取得了一些成就。目前比較有影響力的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)有:西門子的PROFINET、倍福的EtherCAT、貝加萊的Powerlink、橫河Yokogawa的VNET/IP、東芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus-IDA、浙大中控的EPA等。

總得來講,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信經(jīng)歷了從現(xiàn)場(chǎng)總線到工業(yè)以太網(wǎng),再到實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展過程。根據(jù)瑞典網(wǎng)絡(luò)專家HMS公司的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,在2016年間,現(xiàn)場(chǎng)總線的安全節(jié)點(diǎn)數(shù)量占整個(gè)市場(chǎng)的48%,相比2015年的58%市場(chǎng)占比有較大的下降,而工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)占比則從38%上升為46%。行業(yè)分析人士稱,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等戰(zhàn)略的發(fā)展推動(dòng)了越來越多的工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,不過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信市場(chǎng)依舊呈現(xiàn)碎片化。

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