隨著“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的展開，計算機技術、通訊技術、IT技術的發(fā)展已經(jīng)滲入到工控領域，其中最主要的表現(xiàn)就是工業(yè)現(xiàn)場總線技術和工業(yè)以太網(wǎng)技術。其中工業(yè)現(xiàn)場總線技術，特別是以太網(wǎng)技術的廣泛使用，為自動化技術帶來了深刻變革。

現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場，用于連接智能現(xiàn)場設備和自動化測量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。 它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。

控制組成

01

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進行網(wǎng)絡組態(tài)。在網(wǎng)絡運行過程中系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等。

02

現(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)

其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具有高分辨率、高準確性、抗干擾畸變能力強等特點，同時還具有儀表設備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進行調整。

03

設備管理系統(tǒng)

可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備制造信息。

04

總線系統(tǒng)計算機服務模塊

以客戶機/服務器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡計算機服務模式。服務器表示數(shù)據(jù)源（提供者），應用客戶機則表示數(shù)據(jù)使用者，它從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，并進一步進行處理?？蛻魴C運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來完成任務。

05

數(shù)據(jù)庫

它能有組織的、動態(tài)的存儲大量有關數(shù)據(jù)與應用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業(yè)設備在運行過程中參數(shù)連續(xù)變化，數(shù)據(jù)量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的數(shù)據(jù)了系統(tǒng)。

06

網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件與軟件

網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件：系統(tǒng)管理主機、服務器、網(wǎng)關、協(xié)議變換器、集線器、用戶計算機等底層智能化儀表 網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件：NetWarc、LANMangger、Vines 服務器操作軟件：Lenix、os/2、windowNT、應用軟件數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡管理協(xié)議等。

總線分類

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領域，目前的工業(yè)總線網(wǎng)絡可歸為三類：485網(wǎng)絡、HART網(wǎng)絡、FieldBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。

01

485網(wǎng)絡

RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式，其特點是實施簡單方便，而且現(xiàn)在支持RS485的儀表又特別多。現(xiàn)在的儀表商也紛紛轉而支持RS485/MODBUS，原因很簡單，RS485的轉換接口不僅便宜得而且種類繁多。至少在低端市場上，RS485/MODBUS仍將是最主要的工業(yè)組網(wǎng)方式。

02

HART網(wǎng)絡

HART是由艾默生提出的一個過度性總線標準，主要特征是在4-20毫安電流信號上面疊加數(shù)字信號，但該協(xié)議并未真正開放，要加入他的基金會才能拿到協(xié)議，而加入基金會要一定的費用。HART技術主要被國外幾家大公司壟斷，近些年國內也有公司在做，但還沒有達到國外公司的水平?，F(xiàn)在有很多智能儀表帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國內情況來看，還沒有真正用到這部分功能來進行設備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，最多只是利用手操器對其進行參數(shù)設定。從長遠來看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因，HART儀表的應用將呈下滑趨勢。

03

FieldBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡

現(xiàn)場總線是當今自動化領域的熱點技術之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)標志著自動化控制技術又一個新時代的開始?，F(xiàn)場總線是連接控制現(xiàn)場的儀表與控制室內的控制裝置的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡。其關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字化通信。現(xiàn)場總線技術近年來成為國際上自動化和儀器儀表發(fā)展的熱點，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、分散化”的方向進一步邁進，形成新型的網(wǎng)絡通信的全分布式控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)。然而，到目前為止，現(xiàn)場總線還沒有形成真正統(tǒng)一的標準，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準并行存在，并且都有自己的生存空間。何時統(tǒng)一，遙遙無期。目前，支持現(xiàn)場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的余地小，價格又偏高，用量也較小。

特點與優(yōu)缺點

01

特點

現(xiàn)場控制設備具有通信功能，便于構成工廠底層控制網(wǎng)絡； 通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設備間具有互可操作性； 功能塊與結構的規(guī)范化使相同功能的設備間具有互換性； 控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性。

02

優(yōu)點

現(xiàn)場總線使自控設備與系統(tǒng)步入信息網(wǎng)絡的行業(yè)，為其應用開拓了更為廣闊的領域； 一堆雙絞線上可接掛多了控制設備，便于節(jié)省安裝費用； 節(jié)省維護開銷； 提高了系統(tǒng)的可靠性； 為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權。

03

缺點

網(wǎng)絡通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數(shù)據(jù)包丟失，發(fā)送與到達次序的不一致等都會破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更為復雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負面影響。

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是指技術上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設計上，在實時性、可靠性、環(huán)境適應性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來，最被認同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡。 工業(yè)以太網(wǎng)的本質就是以太網(wǎng)技術辦公自動化走向工業(yè)自動化。

工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡的比較

操作要求

1. 工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣體的存在，要求工業(yè)級的產(chǎn)品具有氣候環(huán)境適應性，并要求耐腐蝕、防塵和防水。

2. 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需要采取防爆措施保證安全生產(chǎn)。

3. 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的振動、電磁干擾大，工業(yè)控制網(wǎng)絡必須具有機械環(huán)境適應性（如耐振動、耐沖擊）、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性（EMC）等 。

4. 工業(yè)網(wǎng)絡器件的供電，通常是采用柜內低壓直流電源標準，大多的工業(yè)環(huán)境中控制柜內所需電源為低壓24V直流。

5. 采用標準導軌安裝，安裝方便，適用于工業(yè)環(huán)境安裝的要求，工業(yè)網(wǎng)絡器件要能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內，并容易更換。

主要標準

工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當?shù)膽脤雍陀脩魧訁f(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術真正應用到控制層，延伸到現(xiàn)場層，而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效而又最新的成果，因此，工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)在工業(yè)中的應用全然不是同一個概念。

01

IDA的通信結構和通信協(xié)議

DA是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，將一種實時的基于WEB的分布自動化環(huán)境與集中的安全體系結構加以結合，目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案。

02

Ethernet/IP的通信結構和通信協(xié)議

ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet，還控制另一個總線EtherNet/IP，它把處于應用層和用戶層的DeviceNet和ControlNet的目標庫CIP（包含了所有經(jīng)典的PLC運算），與以太網(wǎng)物理介質捆綁在一起。

03

PROFlnet的通信結構和通信協(xié)議

如圖，它的數(shù)據(jù)鏈路層采用了旨在減小處理通信棧所需時間的一種傳輸協(xié)議，從而極大地縮短了網(wǎng)絡的刷新時間，確保刷新時間在5~10MS。實時通道除了可進行循環(huán)傳輸外，還可完成非循環(huán)（事件觸發(fā)、過程數(shù)據(jù)修改、操作指令下達等）傳輸。同時還要加入網(wǎng)絡管理、WEB功能，以及直接集成I/O設備等。

04

HSE的通信結構和通信協(xié)議

美國的FF（現(xiàn)場總線基金會）采用高速以太網(wǎng)開發(fā)的FCS系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡的主干網(wǎng)，控制級以下仍使用H1現(xiàn)場總線，構成信息集成開放的體系結構，HSE遵循標準的以太網(wǎng)規(guī)范。FF在去規(guī)范中規(guī)定了21種功能塊，供基本過程控制和先進過程控制使用。這些標準功能塊駐留與HSE相連的現(xiàn)場設備中，只要通過組態(tài)就予以鏈接。為進行復雜的批處理和混合控制等應用，F(xiàn)F還規(guī)定了柔性功能塊，支持數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控、子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數(shù)據(jù)采集，并可用作與PLC和其他協(xié)議通信的網(wǎng)間連接器，所以我們可得出這樣一個結論：HSE工業(yè)以太網(wǎng)為連續(xù)的過程控制工業(yè)和斷續(xù)的制造業(yè)所需的連續(xù)實時控制提供了各種的解決方案，它為連續(xù)過程控制系統(tǒng)、斷續(xù)制造的控制系統(tǒng)、批量控制系統(tǒng)以及MES、ERP等企業(yè)信息管理系統(tǒng)的集成，提供了一種相當成熟的工業(yè)以太網(wǎng)的標準協(xié)議。

應用于工業(yè)控制需要解決的問題

工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講技術上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設計時，在實時性、可靠性、環(huán)境的適應性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是一種典型的工業(yè)通信網(wǎng)絡。與商用以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)在以下方面具有特殊要求：

1.要求有高實時性與良好的時間確定性；

2.傳送信息多為短幀信息，且信息交換頻繁；

3.容錯能力強，可靠性、安全性好；

4.控制網(wǎng)絡結構具有高度分散性；

5.控制網(wǎng)絡協(xié)議簡單實用，工作效率高；

6.控制設備的智能化與控制功能的自治性；

7.與信息網(wǎng)絡之間有高效率的通信，易于實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡的集成；

8.設備的可靠性與環(huán)境適應性；

9.遠距離傳輸；

10.總線供電；

11.網(wǎng)絡安全性；

12.互操作性。

優(yōu)勢

01

應用廣泛

以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡技術，收到廣泛的技術支持，最典型的的以太網(wǎng)應用形式如：Ethernet+TCP/IP+web。幾乎所有的編程語言都支持Ethernet的應用開發(fā)。

02

成本低廉

由于以太網(wǎng)的應用最為廣泛，因此收到硬件開發(fā)商與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，有很多硬件產(chǎn)品供用戶選擇，而且由于應用廣泛，硬件價格也相對低廉。

03

通信速率高

目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)也開始廣泛應用，1000M以太網(wǎng)技術也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其通信速率比目前的現(xiàn)場總線快得多。

04

軟硬件資源豐富

以太網(wǎng)已應用多年，人們對以太網(wǎng)的設計、應用等多方面有很多的經(jīng)驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)開發(fā)和培訓費用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)開發(fā)和推廣速度。

05

可持續(xù)發(fā)展能力強

由于以太網(wǎng)的廣泛應用，它的反戰(zhàn)一直得到廣泛的重視和大量的技術投入，形成全球性的技術支持，并且在當前信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信網(wǎng)絡管理，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

06

易于實現(xiàn)管控一體化

易于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的無縫集成，建立統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡，可實現(xiàn)嵌入式控制器，智能現(xiàn)場測控儀表和傳感器等方便地接入以太網(wǎng)絡，直至與Internet相連。