現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)-浙江大學(xué)

1、計算機控制裝置計算機控制裝置1計算機控制裝置計算機控制裝置2現(xiàn)場總線：現(xiàn)場總線：安裝安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備、儀表和控制室內(nèi)的自動控制裝置、在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備、儀表和控制室內(nèi)的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線（IEC61158定義）定義）主要的總線類型：主要的總線類型：FF、ProfiBus、ControlNet、P-Net、FF HSE 、SwiftNet、WorldFIP、InterBus、CAN現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線設(shè)備：設(shè)備：微處理器微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字處理、置入傳統(tǒng)的測量控制

2、儀表，使它們各自都具有數(shù)字處理、計算、控制和通信計算、控制和通信能力，遵循特定的通信協(xié)議，能力，遵循特定的通信協(xié)議，成為能獨立承擔(dān)成為能獨立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：用規(guī)范用規(guī)范的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過總線把的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過總線把各種自動控制儀表、裝各種自動控制儀表、裝置置等作為節(jié)點連接成具有全數(shù)字通信功能的分布式控制系統(tǒng)。簡等作為節(jié)點連接成具有全數(shù)字通信功能的分布式控制系統(tǒng)。簡而言之，它把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，共同完成而言之，它把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。自

3、控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。計算機控制裝置計算機控制裝置3全數(shù)字化（數(shù)字通信延伸到工業(yè)控制系統(tǒng)的最底層）全數(shù)字化（數(shù)字通信延伸到工業(yè)控制系統(tǒng)的最底層）全分布式（各現(xiàn)成設(shè)備有足夠的自主性）全分布式（各現(xiàn)成設(shè)備有足夠的自主性）雙向傳輸雙向傳輸開放性（現(xiàn)場總線應(yīng)成為一種開放技術(shù)）開放性（現(xiàn)場總線應(yīng)成為一種開放技術(shù)）互操作性（保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作）互操作性（保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散性控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散性現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化和自治性現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化和自治性計算機控制裝置計算機控制裝置4 計算機控制裝置計算機控制裝置5為了反映現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技為了反映現(xiàn)場總線與

4、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的最新發(fā)展，術(shù)的最新發(fā)展，IEC/SC65C/MT9 小組對小組對IEC61158 第二版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第二版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴充和修訂，新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了了擴充和修訂，新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了10 種類型現(xiàn)場總線，除原有的種類型現(xiàn)場總線，除原有的8 種類種類型，還增加了型，還增加了Type9 FF H1 現(xiàn)場總現(xiàn)場總線和線和Type10 PROFINET 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線。2003 年年4 月，月，IEC61158 Ed.3現(xiàn)現(xiàn)場總線第三版正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。場總線第三版正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。計算機控制裝置計算機控制裝置6經(jīng)過近多年的努力，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受。為經(jīng)過近多年的努力，以太網(wǎng)技術(shù)

5、已經(jīng)被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受。為了滿足高實時性能應(yīng)用的需要，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提了滿足高實時性能應(yīng)用的需要，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案，從而產(chǎn)生了實時以太網(wǎng)（升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案，從而產(chǎn)生了實時以太網(wǎng)（Real Real Time EthernetTime Ethernet，簡稱，簡稱RTERTE）從從IEC61158 Ed.4IEC61158 Ed.4標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成來看，該系列標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過長期技術(shù)爭論標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成來看，該系列標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過長期技術(shù)爭論而逐步走向合作的產(chǎn)物，標(biāo)準(zhǔn)采納了經(jīng)過市場考驗的而逐步走向合作的產(chǎn)物，標(biāo)準(zhǔn)采納了經(jīng)過市場考驗的2

6、020種主要類型的種主要類型的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)。亮點：亮點：EPAEPA（標(biāo)志著由浙江大學(xué)、浙江中控技術(shù)有限公司、中科院沈（標(biāo)志著由浙江大學(xué)、浙江中控技術(shù)有限公司、中科院沈陽自動化所、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位聯(lián)合制陽自動化所、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位聯(lián)合制定的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的用于工廠自動化的實時以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)得定的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的用于工廠自動化的實時以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)得到國際電工委員會的正式承認(rèn)）到國際電工委員會的正式承認(rèn)）計算機控制裝置計算機控制裝置7計算機控制裝置計算機控制裝置8計算機控制裝置計算機控制裝置9基本功能基本功能信

7、號傳輸要求信號傳輸要求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本功能基本功能 計算機控制裝置計算機控制裝置10信號信號傳輸要求傳輸要求 現(xiàn)場總線通常采用以下二種技術(shù)來保證其實時性：現(xiàn)場總線通常采用以下二種技術(shù)來保證其實時性：計算機控制裝置計算機控制裝置11網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)容易容易實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的總線實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的總線供電供電 線狀結(jié)構(gòu)的線狀結(jié)構(gòu)的電源負(fù)載是確定的，沿總線電源電源負(fù)載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可以預(yù)料的。電壓的變化也是可以預(yù)料的。容易容易實現(xiàn)本安防爆實現(xiàn)本安防爆規(guī)范規(guī)范 線狀結(jié)構(gòu)上的線狀結(jié)構(gòu)上的分布電感、電容以及由于電磁分布電感、電容以及由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的火花感應(yīng)產(chǎn)生的火花能量相對容易測算，

8、如加上能量相對容易測算，如加上限制限制電纜的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量電纜的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量，利于，利于解決解決本安防爆本安防爆問題。問題。 計算機控制裝置計算機控制裝置12計算機控制裝置計算機控制裝置13計算機控制裝置計算機控制裝置14工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計上，在實時性、可工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計上，在實時性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來，靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來，最被認(rèn)同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。最被認(rèn)同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太

9、網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)本質(zhì)就是以太網(wǎng)技術(shù)辦公自動化走向工業(yè)自動化就是以太網(wǎng)技術(shù)辦公自動化走向工業(yè)自動化以太網(wǎng)技術(shù)具有最最廣泛的應(yīng)用背景（指商用以太網(wǎng)），是促使工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)技術(shù)具有最最廣泛的應(yīng)用背景（指商用以太網(wǎng)），是促使工業(yè)以太網(wǎng)得到廣泛認(rèn)同和重視的最直接因素之一。得到廣泛認(rèn)同和重視的最直接因素之一。Ethernet產(chǎn)生于上個世紀(jì)七十年代產(chǎn)生于上個世紀(jì)七十年代采用星型或總線型結(jié)構(gòu)采用星型或總線型結(jié)構(gòu)傳輸速率當(dāng)時僅為幾傳輸速率當(dāng)時僅為幾M（目前已（目前已達(dá)千兆以上）達(dá)千兆以上）傳輸介質(zhì)：屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜傳輸介質(zhì)：屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜CSMA/CD（Carri

10、er Sense Multiple Access / Collision Detection ）為什么以前不用為什么以前不用Ethernet？計算機控制裝置計算機控制裝置15以太網(wǎng)存在所謂的以太網(wǎng)存在所謂的“不確定性不確定性”EtherNet的介質(zhì)訪問控制協(xié)議的介質(zhì)訪問控制協(xié)議： CSMA/CD先先聽后聽后說、邊聽邊說說、邊聽邊說負(fù)荷負(fù)荷大時，網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生碰撞大時，網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生碰撞響應(yīng)時間無法預(yù)知，實時性得不到響應(yīng)時間無法預(yù)知，實時性得不到保證保證發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑網(wǎng)絡(luò)空閑，發(fā)送數(shù)據(jù)；邊發(fā)送，邊檢測碰撞網(wǎng)絡(luò)空閑，發(fā)送數(shù)據(jù)；邊發(fā)送，邊檢測碰撞檢測到碰撞，即同一時

11、刻有多于兩個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)檢測到碰撞，即同一時刻有多于兩個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備D1時間設(shè)備D2設(shè)備D3 停止發(fā)送停止發(fā)送繼續(xù)等待一段時間繼續(xù)等待一段時間通信機理示意通信機理示意因為以太網(wǎng)通信存在不確定性，在因為以太網(wǎng)通信存在不確定性，在9090年代中期之前，幾乎所有的控制系統(tǒng)不選用以年代中期之前，幾乎所有的控制系統(tǒng)不選用以太網(wǎng)，而選用令牌總線或令牌環(huán)（其實問題并沒有那么嚴(yán)重）太網(wǎng)，而選用令牌總線或令牌環(huán)（其實問題并沒有那么嚴(yán)重）計算機控制裝置計算機控制裝置16其實以太網(wǎng)的不確定性問題沒有那么嚴(yán)重其實以太網(wǎng)的不確定性問題沒有那么嚴(yán)重1.通信速率的提高，意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕、傳輸延時減少、碰撞概率下降；通

12、信速率的提高，意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕、傳輸延時減少、碰撞概率下降；2.以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，極以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，極大地大地減輕減輕了碰撞問題了碰撞問題負(fù)荷越小，碰撞越少；負(fù)荷越小，碰撞越少；E網(wǎng)負(fù)荷在網(wǎng)負(fù)荷在10%以下時，基本以下時，基本無碰撞無碰撞負(fù)荷在負(fù)荷在25%以下時以下時，E網(wǎng)通信網(wǎng)通信響應(yīng)時間明顯短于令牌網(wǎng)響應(yīng)時間明顯短于令牌網(wǎng) 計算機控制裝置計算機控制裝置17加上工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點，也利于以太網(wǎng)的應(yīng)用加上工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點，也利于以太網(wǎng)的應(yīng)用傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長度都比較小傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長度都比較小周期性信息較多周期性信息較多【測量、控制信息測量、控制信息】非周期性信息較少非

13、周期性信息較少用戶操作指令、組態(tài)信息等等用戶操作指令、組態(tài)信息等等報警等突發(fā)性事件信息報警等突發(fā)性事件信息網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn)信息流向具有明顯的方向性信息流向具有明顯的方向性節(jié)點數(shù)少節(jié)點數(shù)少“不確定性不確定性”不再是不再是E E網(wǎng)的主要障礙網(wǎng)的主要障礙 E網(wǎng)通信網(wǎng)通信速率的提高速率的提高以太網(wǎng)交換技術(shù)的應(yīng)用以太網(wǎng)交換技術(shù)的應(yīng)用報文優(yōu)先級的處理報文優(yōu)先級的處理計算機控制裝置計算機控制裝置18當(dāng)然，工業(yè)以太網(wǎng)還有很多問題需要（或正在）解決：當(dāng)然，工業(yè)以太網(wǎng)還有很多問題需要（或正在）解決： 統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)的問題、網(wǎng)絡(luò)安全的問題、安全防爆的問題等等的問題、網(wǎng)絡(luò)安全的問題、安全防爆的問題等等 總線供電技術(shù)總線供電技術(shù) 本質(zhì)安全技術(shù)本質(zhì)安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)通信實時性服務(wù)質(zhì)量（通信實時性服務(wù)質(zhì)量（QoSQoS）互可操作技術(shù)互可操作技術(shù)網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)計算機控制裝置計算機控制裝置19 控制層網(wǎng)絡(luò)控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點遠(yuǎn)程節(jié)點Web服務(wù)器服務(wù)器 操作站操作站 工程師站工程師站Internet 現(xiàn)場設(shè)備層現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)以太網(wǎng)冗余冗余以太網(wǎng)以太網(wǎng)EPA計算機控制裝置計算機控制裝置20“e網(wǎng)到底網(wǎng)