第九章 现场总线与工业以太网概述 In smart factories, machines are largely self-organizing, but humans retain control for making final decisions.

一、现场总线概述 现场总线控制系统的技术特征： 现场总线：安装在生产过程区域的现场设备、仪表和控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线（IEC61158定义） 是用于控制系统的通信总线 主要的总线类型：FF、ProfiBus、ControlNet、P-Net、FF HSE 、SwiftNet、WorldFIP、InterBus、CAN…… 现场总线设备：微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字处理、计算、控制和通信能力，遵循特定的通信协议，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。 FCS系统：用规范的通信协议标准，通过总线把各种自动控制仪表、装置等作为节点连接成具有全数字通信功能的分布式控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线控制系统的技术特征： 全数字化（数字通信延伸到工控系统最底层） 全分布式（各现成设备有足够的自主性） 开放性（现场总线应成为一种开放技术） 互操作性（保证不同厂家的产品可以互操作） 控制系统结构高度分散性 现场设备的自治性 ……

IEC61158 Ed.2-1999 本意：排他的和联合的 现场总线种类有数百种之多，常见的有数十种 Type1：IEC 61158技术报告★ Type2：ControlNet Type3：Profibus ★ Type4：P－Net Type5：FF HSE ★ Type6：SwiftNET Type7：WorldFIP Type8：Interbus 以上8种总线采用 完全不同的通信协议！ 本意：排他的和联合的 现场总线种类有数百种之多，常见的有数十种 1999年制定的IEC 61158 Ed.2国际标准 这只是一种模式，8种类型都是平等的 IEC标准的其中Type2～Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2～Type8之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。

IEC61158 Ed.3-2003 IEC 61158 Type1：TS 61158 Type2：ControlNet Ethernet/IP Type3：Profibus Type4：P－Net Type5：FF HSE Type6：SwiftNET Type7：WorldFIP Type8：Interbus 为了反映现场总线与工业以太网技术的最新发展，IEC/SC65C/MT9 小组对IEC61158 第二版标准进行了扩充和修订，新版标准规定了10 种类型现场总线，除原有的8 种类型，还增加了Type9 FF H1 现场总线和Type10 PROFINET 现场总线。 2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线第三版正式成为国际标准。 Type9：FF H1 Type10：ProfiNet

IEC61158 Ed.4--2007 以太网技术已被工业自动化广泛接受，从而产生了实时以太网（Real Time Ethernet，简称RTE） IEC61158 Ed.4采纳了经过市场考验的20种主要类型的现场总线、工业以太网。 亮点：EPA（标志着由浙江大学、浙江中控技术有限公司、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、清华大学、大 连理工大学等单位联合制定的、拥有自主知识产权的用于工厂自动化的实时以太网通信标准得到国际电工委员会 的正式承认）

二、几个具体问题的分析 (1) 通信网络与现场总线 现场总线的本质就是一种通信网络，但二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上有所不同。 ①基本功能 通信网络 现场总线 可靠地传递信息 可靠地传递信息、本质安全、电磁兼容…… 相对的 ②信号传输要求 通信网络 现场总线 “快” “快” 绝对的 响应时间不一定要求最短，但最大值必须是确定是 现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性： 一是简化技术 二是网络管理技术 总而言之：实时性要求（降低不确定性）是现场总线区别一般计算机通信的主要因素 简化网络结构，简化成线形； 简化通信模型，一般只利用OSI/RM中的2～3层； 简化节点信息，通常简化到只有几字节 例如:采用主-从、令牌等访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内

总之：现场总线并不仅仅是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术结合的产物 如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后，这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进行传递。 ③网络结构 通信网络 现场总线 网络状的，节点间的通信路径是不固定的 线 状的，节点间的通信路径是比较固定的 ①容易实现对现场仪表的总线供电 线状结构的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。 ②容易实现本安防爆规范 线状结构上的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量相对容易测算，如加上限制电缆的长度和总线上负载的数量，利于解决本安防爆问题。 总之：现场总线并不仅仅是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术结合的产物

(2) FCS与DCS的比较 (3) 现场总线技术的发展趋势 ① 技术原因 ② 商务原因 ③ 用户原因 走向工业控制网络，走向工业云 FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，这已是业内人士的基本共识。FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制系统的发展方向与潮流。DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。 影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有三方面： ① 技术原因 ② 商务原因 ③ 用户原因 产品单一，优越性还难以得到全部发挥 复杂功能还无法在总线仪表中实现 结论：二者各具优势，FCS将逐步取代DCS主导控制系统地位，但并不意味DCS消亡 价格昂贵 结论：现场总线不是低成本简易产品 FCS成功的应用实例不多，习惯势力不愿冒风险。 结论：充分利用已有的DCS设施，基于现有DCS的系统以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS不失为当前的宜选之途 (3) 现场总线技术的发展趋势 走向工业控制网络，走向工业云

三、工业以太网简介 为什么以前不用Ethernet？ 工业以太网的本质就是以太网技术办公自动化走向工业自动化 采用星型或总线型结构 传输速率当时仅为几M（目前已达千兆以上） 传输介质：屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection ） 为什么以前不用Ethernet？ 以太网存在所谓的“不确定性” EtherNet的介质访问控制协议： CSMA/CD 先听后说、边听边说 负荷大时，网络会发生碰撞 响应时间无法预知，实时性得不到保证 ①发送数据前先侦听网络是否空闲 ②网络空闲，发送数据；边发送，边检测碰撞 因为以太网通信存在不确定性，在90年代中期之前，几乎所有的控制系统不选用以太网作为底层总线，而选用令牌总线或令牌环（其实问题并没有那么严重）

“不确定性”不再是E网的主要障碍 其实以太网的不确定性问题没有那么严重 负荷越小，碰撞越少； E网负荷在10%以下时，基本无碰撞 通信速率的提高，意味着网络负荷减轻、传输延时减少、碰撞概率下降； 以太网交换技术的发展，极大地减轻了碰撞问题 负荷越小，碰撞越少； E网负荷在10%以下时，基本无碰撞 负荷在25%以下时，E网通信响应时间明显短于令牌网 加上工业控制网络的特点，也利于以太网的应用 传输的信息量少，信息长度都比较小 周期性信息较多【测量、控制信息】 非周期性信息较少 用户操作指令、组态信息等等 报警等突发性事件信息 信息流向具有明显的方向性 节点数少、网络负荷较为平稳 E网通信速率的提高 以太网交换技术的应用 报文优先级的处理 “不确定性”不再是E网的主要障碍

FF HSE Ethernet/IP PROFINet MODBUS TCP P-NET on Ethernet Interbus on Ethernet

“e网到底” Web服务器 以太网 远程节点 管理层网络 冗余 以太网 操作站 工程师站 控制层网络 EPA 现场设备层 网络

“e网到底”的好处： 享受现场总线技术的一切好处 具有很强的可持续发展力 无需专门培训，可利用以太网的大量现有技术 包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集成权等。 具有很强的可持续发展力 无需专门培训，可利用以太网的大量现有技术 无需大量专用软件，可利用IE等通用浏览器远程监视控制现场 对用户的技术要求降低