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工业底层设备的两种通讯方式,浅谈现场总线和工业以太网

  来源:e-works数字化企业网   有 124 人浏览   日期:2018-02-03 09:49

文章摘要:随着传统制造企业正在加快智能制造转型的进程,工业互联网迅速在全世界范围内兴起。在工业互联网的技术构架中,通过各类通讯方式接入不同设备、系统和产品,来采集海量数据是其重要的一环。本文将介绍工业底层设备的......

  

随着传统制造企业正在加快智能制造转型的进程,工业互联网迅速在全世界范围内兴起。在工业互联网的技术构架中,通过各类通讯方式接入不同设备、系统和产品,来采集海量数据是其重要的一环。本文将介绍工业底层设备的两种通讯方式:现场总线和工业以太网。

 

认识现场总线

回顾现场总线的发展史可知,现场总线大致出现在上个世纪80年代末到90年代初期,这个时期随着生产规模的日益扩大,工厂的设备有了互联的需求(此阶段的互联需求主要定位于远程的I/O数据传输,以及产线内部不同设备的数据交换),人们希望通过综合掌握多点的运行参数与信息,进而实现多点信息的操作控制。但是这个时候的计算机系统存在系统封闭的缺陷,各个厂家的产品都是自成体系,不同厂商之间的设备不能实现互联互通,想实现更大范围信息共享的网络系统由于当时技术的局限性,存在很多困难。

 

在实际发展过程中,涌现出了许多著名的现场总线技术,例如基金会现场总线FF、HAPT现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、Devicenet现场总线、INTERBUS现场总线、PROFIBUS现场总线、WorldFIP现场总线、CC-link现场总线等。这些现场总线具有各自的特点,并形成了特定的应用范围。但是现场总线种类实在是太多了,采用的通讯协议也完全不同,所以至今现场总线的标准也未能统一,最终形成了一个多种现场总线的IEC61158的现场总线标准,网上有挺多这方面的资料,在此不再展开。

 

关于现场总线我搜索了好多种版本的定义,但无论是百度百科,还是国际电工委员会IEC标准给出的现场总线定义,对于初学者依然是晦涩难懂。直到最近看到一种有关现场总线的通俗解读,才感觉豁然开朗。拿来与大家分享:现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络,它遵循ISO/OSI开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。

 

初学者可以从两方面来认识现场总线:第一,根据工厂自动化信息网络分层结构(工厂管理级、车间监控级、现场设备级),可知现场总线位于生产控制和网络机构底层,是工厂底层设备之间的通信网络。工厂底层应用现场总线技术的好处,在于可以实现工厂信息纵向集成的透明通信,即从管理层到自动化底层的数据存取。

 

一文读懂现场总线和工业以太网

典型的车间自动化架构(图片来源网络)

 

第二,现场总线是基于ISO/OSI的七层模型,并且可以少于七层。需要指出的是,实际应用中,ISO模型只是一个参考,不同种类的现场总线协议栈有较大区别,通常会将ISO/OSI的七层模型简化,以实现更低的通信延迟、更快的速度、更有利于实现现场总线的实时特性。

 

一文读懂现场总线和工业以太网

ISO/OSI开放系统互联参考模型(图片来源网络)

 

备注:开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型,为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

 

走进工业以太网

鉴于现场总线的标准还是基于多种现场总线标准的妥协,而多标准某种意义上讲,就是无标准。人们开始寻求新的工业通讯出路,这时候以太网技术映入人们的眼帘。以太网技术因其技术简单、开放性好、价格低廉等特点,在办公和商务上的市场占有率非常高。一些厂商(例如施耐德提出了基于以太网+TCP/IP的解决方案)提出了将以太网技术引入工厂设备底层,工业以太网也就随之产生了。

 

但是以太网是计算机局域网中最常见的通信协议标准,最初是为办公自动化的应用而设计,并没有考虑到工业现场环境的需求,例如高温、低温、防尘灯问题,所以以太网不能直接用于工业现场。智库百科认为,工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网采用TCP/IP协议,和IEEE 802.3标准兼容,但在应用层会加入各自特有的协议。从定义角度而言,工业以太网也是现场总线中的一种,就如同现场总线的各种协议一样。

 

正如以太网适合于信息管理、信息处理系统一样,工业以太网在工厂管理、车间监控等信息集成领域也应用的很多。工业以太网最大的优势在于:可以满足控制系统各个层次的要求,使得企业的信息网络和控制网络能够实现统一;以太网容易实现网络集成,速度快,开发技术广泛,硬件升级范围广,价格低廉,容易获得众多厂商的支持。

 

一文读懂现场总线和工业以太网

工业以太网结构图(图片来源网络)

 

但是以太网是一种随机网络,具有通信不确定性的特点,这使得工业以太网一度被打上“难以胜任高速实时性数据通信”的标签。为此,世界上的各大公司纷纷转向研究基于以太网的通信确定性和实时性的问题,并取得了一些成就。目前比较有影响力的实时工业以太网有:西门子的PROFINET、倍福的EtherCAT、贝加莱的Powerlink、横河Yokogawa的VNET/IP、东芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus-IDA、浙大中控的EPA等。

 

总得来讲,工业现场的网络通信经历了从现场总线到工业以太网,再到实时工业以太网的发展过程。根据瑞典网络专家HMS公司的最新调查数据显示,在2016年间,现场总线的安全节点数量占整个市场的48%,相比2015年的58%市场占比有较大的下降,而工业以太网的市场占比则从38%上升为46%。行业分析人士称,工业互联网、工业4.0等战略的发展推动了越来越多的工业设备实现互联互通,不过工业网络通信市场依旧呈现碎片化。


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