EtherCAT科普系列（1）：現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)簡介！

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

自20世紀(jì)50年代起，過程控制領(lǐng)域便開始采用4~20mA的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今。隨著70年代數(shù)字計算機(jī)技術(shù)的引入，測控系統(tǒng)開始實現(xiàn)集中式控制處理，計算機(jī)在這一過程中扮演了核心角色。到了80年代，微處理器技術(shù)在控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它們被集成到各類儀器和設(shè)備中，促進(jìn)了分布式控制系統(tǒng)（DCS）的形成。在這種系統(tǒng)架構(gòu)下，每個微處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行一系列特定的任務(wù)，而設(shè)備間的通信則通過一個專門的網(wǎng)絡(luò)和附加的“網(wǎng)關(guān)”來實現(xiàn)，其中網(wǎng)關(guān)的程序主要是由用戶根據(jù)需要來編寫的。標(biāo)志著控制系統(tǒng)從集中式向分布式的轉(zhuǎn)變，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

隨著微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步和在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的電子線路逐漸被集成電路（IC）所取代。這些以微處理器為核心的智能設(shè)備，能夠執(zhí)行信息的采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等關(guān)鍵功能。一些先進(jìn)的數(shù)字式智能化儀表甚至集成了專家系統(tǒng)的輔助推斷和決策能力，它們配備了自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自校正、自診斷等高級功能，并且能夠提供故障診斷、歷史數(shù)據(jù)報告、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和趨勢分析等增強(qiáng)功能。通信技術(shù)的發(fā)展推動了數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這不僅促進(jìn)了信息的高效傳輸，也滿足了對質(zhì)量分析、維護(hù)管理、安全相關(guān)系統(tǒng)測試記錄以及環(huán)境監(jiān)測等方面日益增長的需求。這些需求使得現(xiàn)場儀表不僅要能夠在當(dāng)?shù)靥幚硇畔?，還要能夠在需要時被遠(yuǎn)程管理和訪問，從而大大增加了現(xiàn)場儀表與上層控制系統(tǒng)之間的通信量。同時，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，控制領(lǐng)域?qū)τ诳刂葡到y(tǒng)的精度、操作便利性、維護(hù)性和可移植性等方面也在不斷提出更高的要求。

為了滿足這些需求，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字通信鏈路，實現(xiàn)了現(xiàn)場智能化設(shè)備與控制室內(nèi)自動化系統(tǒng)之間的高效互聯(lián)互通。現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成了連接智能化現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字通信路徑。它支持全面的數(shù)字化通信，允許雙向數(shù)據(jù)交換和多站點(diǎn)的總線通信，實現(xiàn)了設(shè)備間的互操作性和數(shù)據(jù)共享。這種通信方式主要用于執(zhí)行控制任務(wù)、觸發(fā)警報以及報告重要事件?，F(xiàn)場總線的通信協(xié)議設(shè)計注重響應(yīng)速度和操作的可預(yù)測性，以確保最優(yōu)化的性能。作為一層基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它為更高層次的監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)提供了支撐，這些高層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)處理文件傳輸?shù)热蝿?wù)。現(xiàn)場總線技術(shù)為智能現(xiàn)場儀表的集成提供了一個開放的平臺，使得基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS）成為繼分布式控制系統(tǒng)（DCS）之后的新一代控制解決方案。

現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定

▲常見的現(xiàn)場總線類型數(shù)字技術(shù)在自動化領(lǐng)域的發(fā)展與模擬技術(shù)截然不同，其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的制定往往先于產(chǎn)品開發(fā)，為新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供指導(dǎo)，盡管國際電工委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起就開始致力于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定，但一個完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍在完善中，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)成為連接現(xiàn)場智能化裝置與控制室自動化系統(tǒng)的重要數(shù)字通信鏈路，實現(xiàn)了設(shè)備間的相互操作和數(shù)據(jù)共享，主要用于控制、報警和事件報告等功能。

IEC61158 Ed.4標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)場總線技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)，它反映了現(xiàn)場總線和實時以太網(wǎng)技術(shù)的最新發(fā)展。該標(biāo)準(zhǔn)采納了經(jīng)過市場考驗的20種主要類型的現(xiàn)場總線，包括各種工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)技術(shù)。這些現(xiàn)場總線類型涵蓋了當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域中廣泛使用的多種通信協(xié)議，它們通過標(biāo)準(zhǔn)化的方式實現(xiàn)了設(shè)備間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)交換。IEC61158 Ed.4標(biāo)準(zhǔn)的制定，為工程技術(shù)人員提供了一個全面的技術(shù)規(guī)范，引導(dǎo)他們了解和學(xué)習(xí)最新版的現(xiàn)場總線技術(shù)，同時也為不同現(xiàn)場總線技術(shù)的互操作性提供了基礎(chǔ) 。

▲IEC61158 Ed.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的現(xiàn)場總線類型現(xiàn)場總線技術(shù)是應(yīng)自動化領(lǐng)域多樣化需求而誕生的。由于不同行業(yè)對自動化的具體要求各有側(cè)重，那些為特定行業(yè)量身定制的總線技術(shù)往往能更好地滿足該行業(yè)的需求，因此在其目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到了更廣泛的應(yīng)用和更佳的適配性。簡而言之，每種總線技術(shù)都有其特定的應(yīng)用背景和適用場景，它們是為了解決特定自動化挑戰(zhàn)而設(shè)計的。

工業(yè)領(lǐng)域引入以太網(wǎng)技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)通過采用數(shù)字通信取代了傳統(tǒng)的模擬信號，實現(xiàn)了在單一對雙絞線上連接多個設(shè)備的能力，從而顛覆了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)架構(gòu)。然而，這種技術(shù)在傳輸速度等方面存在一些限制，例如在需要極高數(shù)據(jù)刷新率的運(yùn)動控制應(yīng)用中，現(xiàn)場總線可能無法滿足這些苛刻的要求。與此同時，以太網(wǎng)因其廣泛的應(yīng)用性、較高的通信速度和較低的成本，在工業(yè)控制領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，并逐漸成為新的發(fā)展趨勢。工業(yè)以太網(wǎng)的普及率正在工業(yè)自動化和過程控制市場中迅速攀升，眾多遠(yuǎn)程I/O接口技術(shù)的提供商，包括西門子、羅克韋爾、通用電氣、發(fā)那科等，都在提供支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口。這些公司在銷售各自的可編程邏輯控制器（PLC）產(chǎn)品的同時，也提供了能夠與遠(yuǎn)程I/O以及基于PC的控制系統(tǒng)相連接的接口選項。這表明了工業(yè)以太網(wǎng)在實現(xiàn)設(shè)備間高效通信方面的潛力，以及其在現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中日益增長的重要性。工業(yè)以太網(wǎng)通常被泛指為應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)它在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，更加注重材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面，以滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求。以下是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的一些優(yōu)勢和特點(diǎn)：

01通信速率高

工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟；

02資源共享能力強(qiáng)

隨著Internet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，實現(xiàn)了“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的；

03可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/strong>

以太網(wǎng)的引入為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供了可能性，用戶在技術(shù)升級方面無需獨(dú)自的研究投入；

04實時性

工業(yè)以太網(wǎng)需要滿足實時通信要求，能夠在嚴(yán)格的時間限制下傳輸數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)實時性，工業(yè)以太網(wǎng)采用了各種機(jī)制，如時間同步、優(yōu)先級調(diào)度等；

05可靠性

工業(yè)以太網(wǎng)要求高可靠性，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。為此，工業(yè)以太網(wǎng)采用了冗余機(jī)制、錯誤檢測與糾正、網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)手段；

06網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

工業(yè)以太網(wǎng)支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型、環(huán)形、總線等，可以根據(jù)實際應(yīng)用的需求選擇適合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

07靈活性

工業(yè)以太網(wǎng)具有較強(qiáng)的靈活性，可以適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的工業(yè)自動化系統(tǒng)。它支持多種通信協(xié)議和設(shè)備接口，能夠與其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。

工業(yè)以太網(wǎng)的采用不僅帶來了實時以太網(wǎng)的諸多優(yōu)勢，還因其遵循相同的通信協(xié)議，實現(xiàn)了辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)間的無縫集成。這種無縫連接為工業(yè)自動化帶來了更高的靈活性和效率，同時也推動了工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展。通過這種方式，工業(yè)以太網(wǎng)正在成為連接工業(yè)自動化與信息技術(shù)的橋梁，為現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的集成和優(yōu)化提供了強(qiáng)大的支持。實時以太網(wǎng)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是為了滿足自動化控制系統(tǒng)中對通信實時性要求而發(fā)展起來的。但對于需要響應(yīng)時間小于5ms的應(yīng)用，普通的工業(yè)以太網(wǎng)可能就不夠用了。為了解決這一問題，各個公司和標(biāo)準(zhǔn)組織開發(fā)了多種技術(shù)方案來提升工業(yè)以太網(wǎng)的實時性。

這些方案都是在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過實時擴(kuò)展來提高網(wǎng)絡(luò)的實時性能，同時確保與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的兼容性。這樣的技術(shù)被稱為實時以太網(wǎng)（RealtimeEtherNet，RTE），它能夠?qū)崿F(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的無縫連接，提供毫秒級的實時響應(yīng)時間，滿足高實時性應(yīng)用的需求。實時以太網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)包括低延遲、高數(shù)據(jù)傳輸速率、可預(yù)測的性能，以及對實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化。這些技術(shù)在工業(yè)自動化、機(jī)器控制、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，幫助實現(xiàn)高度自動化和精確控制的應(yīng)用。常見的實時以太網(wǎng)協(xié)議包括EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、POWERLINK等，它們各自具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢，以適應(yīng)不同的工業(yè)應(yīng)用場景。根據(jù)IEC61784-2-2010標(biāo)準(zhǔn)，實時以太網(wǎng)是在ISO/IEC8802-3協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)數(shù)據(jù)通信的特定需求，通過引入一些關(guān)鍵的實時性增強(qiáng)措施來實現(xiàn)的。這些措施確保了網(wǎng)絡(luò)在保持與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容性的同時，能夠滿足工業(yè)自動化對實時通信的嚴(yán)格要求。

1

通信時間的確定性，即行為可預(yù)測；

2

迅速適應(yīng)外部環(huán)境的變動，這包括處理任務(wù)的變更、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加或減少，以及對網(wǎng)絡(luò)故障的檢測和診斷；

3

減小通信轉(zhuǎn)發(fā)延遲，使得設(shè)備交互在極短的通信延遲時間內(nèi)完成。

▲工業(yè)以太網(wǎng)和商用以太網(wǎng)的比較