现场总线与工业以太网的应用分析

发布时间：2018-01-22 作者：姜晓林韩江夏链成勇来源：合肥工业大学CIMS研究所

关键字：现场总线工业以太网

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对现场总线和工业以太网做了简单介绍。对其发展情况和技术特点做了详细分析，认为现场总线多标准的出现是历史发展的必然，工业以太网不会也不可能取代现场总线。结论：现场总线与工业以太网相结合将是未来自动化网络的发展趋势。

伴随着计算机、微电子、自动控制等技术的发展，工厂的自动化水平日益提高，但是人们发现单纯提高单机的自动化水平，很难将自动化的优势完全发挥出来，这使得工业技术的进步对产值增长速度的贡献率异常的低，生产能力利用严重不足，先进设备不能够有效利用，造成很大的浪费。而自动化系统与管理信息系统的割裂也成为企业效率难以提高的瓶颈所在。工厂中大多数任务都需要多台设备合作完成，同时要涉及到很多人，不但人与人之间需要协作，机器与机器之间也需要协作，这样才能形成一个人与设备的和谐团队，充分发挥人的智慧和机器效能，从而提高企业的效益。对于企业而言信息化是目标，网络化则是实现信息化的手段。

在工厂对网络化、信息化技术的迫切需求下，现场总线和工业以太网先后应运而生。在商业网络日趋成熟的今天，工厂的网络时代也拉开了序幕。网络化的工厂从整体上提高了效率，网络系统将人和设备紧密地结合起来，扬长避短，拥有了各个离散组合所不具备的、更丰富的功能和更高的工作效率，从而使企业能够更加高效地优化配置自己的各种资源和任务，避免不必要的浪费，使企业的效益得到提高。现场总线与工业以太网的出现为工厂网络化的实施提供了可能，使信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。

1、现场总线的产生与多标准的出现

现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点并用总线相连接实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

作为工厂底层的自动化系统，现场总线克服了以往控制系统信息集成能力不足、开放性不够，可维护性差等缺点，成为新一代的控制系统。现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，成为企业信息网络的底层，从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的基础。

现场总线技术得以实现的一个关键问题是要在自动化行业中形成一个制造商共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商要按照标准生产产品，系统集成商能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。但是就目前的情况来看，多种总线标准共存已经是不争的事实。可以称作标准的总线就有12种之多。经过近20年，IEC61158用于工业控制系统的现场总线国际标准于2000年初终于获得通过，但制定的标准却有8种之多。为了进一步完善IEC61 158标准，IEC／SC65C成立了MT9现场总线修订小组，继续这方面的工作。MT9工作组在原来8种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2001年8月制定出由10种类型现场总线组成的第三版现场总线标准。

国际标准的10种类型现场总线为：

1)TS61158现场总线；

2)ControlNet和Etlleme∥IP现场总线；

3)Profibus现场总线；

4)P—NET现场总线；

5)FF HSE现场总线；

6)Swirl—Net现场总线；

7)WorldFIP现场总线；

8)INTERBUS现场总线；

9)FF H1现场总线；

10)PROFInet现场总线。

2、以太网与工业以太网

现场总线多标准的出现令很多人始料不及，违背了他们制定标准的初衷，于是人们将目光集中到以太网上。希望以太网进人工业控制领域并在企业信息化中取代现场总线。

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。1975年，美国施乐(Xerox)公司的Palo A1一to研究中心研制成功[METC76]作为实验室互连网络，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。1980年，基于原来的以太网技术产生了IEEE802．3规范标准。并且由数字仪器公司、Intel公司和Xerox公司联合开发了与IEEE802．3标准兼容的以太网2．0方案。IEEE802．3是以“以太网”为技术原形，本质特点是采用CSMA／CD的介质访问控制技术∞J。因为现在的Internet普遍采用以太网+TCP／IP协议，使得以太网在商业上取得了广泛的应用，成为目前世界上使用最多的网络。

所谓工业以太网，一般是指技术上与商用以太网(即IEEE802．3或IEEE802．11系列标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

按照国际标准化组织开放系统互连参考模型的7层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层，而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。作为一个完整的通信系统，工业以太网需要高层协议的支持，为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP／IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE、PROFI•net、EtIlemeL／IP等。

3、现场总线与工业以太网的分析比较

3.1 现场总线多标准的必然性

现场总线的产生给自动化领域带来了深刻的变革，并在实际中取得广泛的应用。尽管现场总线多标准的出现令很多人感到失望，但是由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，所以很难以一种技术一统天下。每种现场总线的制定者都是针对自己最善长，最熟悉的领域来制定现场总线标准，在此基础上力图扩大其应用范围，都有自己的特色和定位。如FF主要用于石油化工、工业过程控制中的仪表连接等；Profibus主要用于PLC之间的通信；SwiftNet主要用于航空和航天等领域；LonWorks主要应用于楼宇自动化方面。

某一种现场总线标准在某些领域中是适用的、具有高性能价格比，超出这些领域可能就不是最优的，甚至是不适用的。因此，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求，现场总线多标准的出现是历史发展的必然，同时也是必要的。而且从另一个角度分析，多标准的并存由于竞争将更有利于技术的进步。

3.2 工业以太网与现场总线的关系

虽然工业以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，但是以太网并不是万能的，由于设备层的特殊情况，使得工业以太网的技术优势并不能完全发挥，基于以下原因，可以认为工业以太网不会也不可能取代现场总线。

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。而以太网设计初衷是办公网，用于数据处理。故现场总线在现场层的优势是明显的，而以太网进入现场层则有其技术上的先天不足。

2)成本是目前工业以太网进入现场设备层的一大障碍。例如，铜介质的Ethernet传输距离还无法突破100m，这对于现场仪表来说还远远不够，而如果长距离地采用多芯电缆则费用昂贵。另外，如果将TCP／IP的模块或芯片嵌人到现场设备中，就意味着配置更好的CPU、更大的内存，也仍然会增加设备成本。而且以太网不符合工业标准，还不具有本质安全特性，如果重新制定标准，以太网的成本优势可能不复存在。

现有的几种工业以太网如HSE、PROFInet、Ethernet／IP其价格都比现场总线高出许多。

3)工业自动化由于涉及的行业众多，需求各异，想要以一种理想化的面面俱到的技术去满足各行各业的应用要求是不现实的，工业以太网同样也不能。以太网之所以能在办公领域广泛应用，是因为办公自动化的设备单一，主要是计算机，而计算机本身是一种具有高度开放性和标准化的设备。

4)技术的发展会受社会政治、经济影响，市场因素很大程度左右技术走向，技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的产物。现场总线已经是成熟的技术，在设备层的应用很成功，市场占有率也逐年在提高。现场总线的支持厂家不会放弃既得的利益，现场总线的采用者为了保护自己的投资对既有的应用也不会轻易更换。所以工业以太网想进军设备层除了要克服技术上的困难外，在市场上也会遇到重重阻力。

3.3 现场总线与工业以太网的定位

现场总线的出现给自动化领域带来了革命性的变化并已经取得了广泛的应用。现场总线技术成熟，是专门为设备层开发的技术，能极大地满足现场设备信息集成的要求。

由于底层设备的多种多样，行业的千差万别，而现场总线技术种类、产品繁多，能够提供各种成本的解决方案，无疑是最佳的选择。但现场总线不是万能的，它只解决了底层自动化系统的信息集成问题，并不适合用于传输数据量较大的单元层，也不容易与管理层进行集成。

以太网带着自身的优点将应用范围从管理层向设备层延伸形成工业以太网，但由于以太网的先天不足在设备层的应用将受到限制，尤其是在传感器级和易燃、易爆(如化工、制药)，以及环境条件恶劣、可靠性要求很高、有本质安全要求的场合均不适合。在一些对实时陛要求不高的场合，工业以太网将会取得一定的应用，并在现场总线中占有一席之地，但不会也不可能取代现场总线。设备层不是工业以太网的优势所在，也不是其发展的主流。由于工业以太网带有以太网的优点又具有现场总线的特征，所以最适合其发展的领域将是单元层的通信，尤其是需要传输音频，图像等信息的场合。工业以太网作为现场总线和

以太网的连接纽带实现管、控一体化，这样各种技术才能扬长避短，在工厂全集成自动化中各自发挥所长，优势互补。

4、结论

在今后的自动化领域，以太网在办公自动化和企业的管理决策层毋庸置疑的处于统治地拉，在车间级的监控层，工业以太网将会发展成为主流技术，在设备层现场总线仍会继续快速地发展，成为首选技术。工业以太网作为桥梁将现场总线和以太网连接起来，实现管理网和控制网的集成，工业以太网与现场总线更多的是融合，而不是取代。

在未来现场总线和工业以太网将会在适合自己的领域内健康地发展。在构建自己的信息化网络时，应该扬长避短，从实际应用出发，用一个最优的网络组合方案来满足各种应用需求。

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