现场总线、以太网和两者合并的真相

作者：德国SMAR公司 Jonas Berge

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 继以太网和基于IP的协议成功地取代了用于自动化的RS485和专用同轴电缆解决方案之后，经常出现这种推测，即以太网将取代现场总线。同样，自从所有类型的以太网设备都能与同一个网络连接后，常常出现这样的建议，那就是以太网可能成为现场总线不能实现的单一协议问题的解决方案。使用现场总线和以太网的相互关联被极大地曲解了。本文进一步探讨了自动化系统集成的真实性、每种网络技术所扮演的角色以及用户处理许多运行在以太网上专用协议的方法。 多年以来“现场总线”这个术语在许多方面经常使用，很难说出人们在使用这个词时它的真正含义。例如，HART是现场总线吗？Profibus和Modus也是现场总线吗？使用这个词时仅仅是指定义在IEC61158中的总线吗？它仅仅和用于过程自动化或机器自动化和运动控制的总线有关吗？一种总线必须提供本征安全的能力才称得上是现场总线吗？ 在过去的几年中，市场上有一种更加宽泛的定义解决了对现场总线的疑惑：现场总线可以指贯穿工厂层的在过程中将传感器/发送器和执行器/阀门连接起来的任何自动化总线。 这还是很难理解当人们说传感器层的网络连接时他们的真正含义。这可以指它确实和传感器和发送器连接，但是它通常是指与按顺序连接到实际传感器的远程I/O块相连接。 大多数现场总线协议不是专用的。许多是基于IEC或其他行业标准，例如用于以太网的IEEE标准。然而，由于容量低于以太网，因此它们看起来相对特殊。 什么是以太网和IP？ 以太网这个名字也被广泛地误解了。许多时候当问人们他们工厂中使用什么工业网络协议时，今天他们会回答是“以太网”或“TCP/IP”，正如过去他们回答“RS485”或“RS232”一样。这些实际上都是错误的，因为以太网和TCP/IP不是完整的协议堆栈，正如RS232和RS485不是协议一样。然而，以太网和TCP/IP为一些新的工业网络技术提供了基础。 协议堆栈的顶端是应用层协议。在这里你可以找到数据类型和针对工业自动化或其它任务的服务，例如网络浏览（HTTP）、EMAIL（SMTP）、文档传输（FTP）、网络管理（SMTP）或其它功能的几乎无限的阵列。 以太网和IP的实际能力一般与在这个平台上能同时运行的数以千计的不同应用层协议有关。这就使网络能同时通过所有不同类型的设备做不同的事情而不产生冲突。然而，不同的设备连接到同一网络并不意味它们之间能互相通信，这是由于它们常常使用不同的协议。虽然数以千计的以太网协议之间并不一定会产生冲突，但它们也并不能使设备之间互相通话。大部分以太网解决方案完全是专用的，因此当寻求互相作用的解决方案时，仔细地检查应用层就变的非常重要。 在数以千计的使用以太网和IP的应用层协议当中，仅仅有少数是开放的并特别用于工业自动化的；大部分工厂只需要与少量的协议连接。工厂管理者的主要担心就是为不同工业应用层 设计的以太网设备之间不能相互通话。例如，SMAR、Emerson和Yokogawa的控制器都使用以太网，但是它们之间不能通话。因此用户必须避免将多种专用以太网解决方案混合，而是选择一个开放的工业应用层并贯穿整个工厂地使用。每个应用层协议有不同的功能和形成的原因。例如，大部分以太网设备支持SNMP，但是这不意味它们能够参与同一个控制方案或能够侦测控制器的故障。虽然SNMP能够很好地进行网络管理，但是它除此以外别无其它功能。这样SNMP只是工业协议的补充而并不能取代工业协议。 总线技术家族 正如我们将看到的，现场总线和以太网互相补充，因此所有的主要总线技术组织都包括现场总线和以太网。下面的表格仅选择了部分现有的组织。大部分情况下现场总线和以太网网络使用同一个应用层，也就是相同的数据类型、目标结构和功能。PROFINET是个明显的例外：它不是一个建立在以太网和IP上的Profibus应用层。 应用层是协议最重要的部分，在那里设置区别与其它的不同的工业以太网技术。不同的应用层使以太网的解决方案互不兼容。 现场总线网络技术是简化的技术，它们消除了网络层和传输层，而且运行得更慢,以允许用低的处理能力进行设备之间的通信。在低层设备中限制功率会带来了一些限制。通过提供一整套的网络选择，现场总线网络技术覆盖了所有的应用领域。 自动化领域简单地模仿了办公室领域，在那里以太网不是用来连接一些外围设备例如鼠标、本地打印机、储存盘、键盘、相机和其他的东西：USB和以太网在办公室领域中互相补充，正如以太网和现场总线在工厂中一样。 以太网和现场总线的混合 虽然一些组织声称基于以太网的通信可向下直到传感器层,但是进一步的观察表明以太网与远程I/O模块连接，为了与现场实际的传感器连接，这些模块按顺序支持模拟和离散的输入和输出。例如，IDA没有用于最低层的解决方案。其它的仅有几个端口与I/O模块进行数字通信，但是在这一层它不是以太网介质而且它们没有IP地址。例如，EtherCAT不是IEEE802.3以太网在最低层的示例；因此它使用不同的布线和硬件。 相似地，运动控制有非常严格的时间要求，这是使用以太网和TCP/IP所不能满足的。因此，虽然PROFINET具有一个使用标准IEEE802.3以太网和TCP/IP的开放通道，但是它也可以选择结合不使用TCP/IP的IRT通道。虽然使用标准的电缆和RJ45连接器使它看似具有兼容性，但是增加IRT还需要增加专用的硬件，例如局域网切换器和网络芯片。简言之，标准的局域网和计算机适配器卡不能工作，协议也不能提供传送和接收消息的路由。通过用现场总线技术扩展标准的以太网，象现场总线一样没有协议堆栈中的网络层和传输层，混合的解决方案具有一个可以工作的专有的特性组合。 当涉及速度、距离、本征安全以及无需有源切换器就能通过同根电缆将多个设备连接起来的能力时，以太网和现场总线就能够一起使用和互相补充。一种方案并不能满足所有场合。以太网目前不能满足低层仪器仪表的特殊要求，但是现场总线往往具有这些特征能够理想地补充这一点。虽然以下的观察更多地来自过程控制和仪器仪表的应用，但是它们同样能够用于工业自动化中对网络要求有所不同的应用中。 现场总线具有中等的速度，但这已经足够，因为现场总线在最低层使用，那里每个节点只包含一个或两个变量不停地被更新的，而其它的信息只是观察。在稍高的层中，即将来自传感器和驱动器的数据在控制器或连接设备中集中的层中，以太网以它高带宽提供了很好的选择。 以太网的速度很快，但是象小型设备(如接近开关和变送器)不能够以100Mbps的速率处理TCP/IP堆栈。这就是为什么现场总线速率更慢并使用简化的通信堆栈的原因。以太网和现场总线确实能够互相补充。 多支路 在以太网中，每条线都连接了一个设备并需要激活的局域网开关，当在工厂连接了成百上千个传感器或传输器时，这就非常昂贵而且不是切实可行的。但是，在底层，现场总线已经准备好能有效地连接仪器。使用现场总线能够在同一条电缆上将设备连接起来而无需有源的局域网开关。这就减少了布线和对其它一些硬件的需要，为将大量的小节点连接起来提供了不可比拟的经济上的优越性。 距离 由于单个数据包的传播时间有限，在每个中继局域网切换器之间的铜线以太网的距离局限在100米之内。这就排除了以太网可以象一个不会中断的连接一样覆盖很长的距离（例如从控制室到传感器和执行器）。但是，现场总线能够贯穿工厂车间层直到仪器仪表，覆盖很长的距离：单个的跨越距离为2公里，使用中继器则为数倍。很明显，以太网使用广播能够广播几公里的范围，但使用大量的节点则费用昂贵。再次重申，以太网和现场总线可以互补。 供电 虽然在IEEE802.3af标准的Power over Ethernet中规定了一些实现以太网供电（PoE）的方式，但是常规的以太网是不能供电的，特别是在自动化产品中。然而，这无伤大雅，因为一些低功耗的设备可以从总线得到供电，而且现场总线能够提供这个能力。现场总线和以太网在这点上也能互相补充。 本征安全 常规的以太网和PoE并不是本征安全的，因此不适合1区中的危险区域，因为防火电路和设备要求正确的安装。此外，设备需要以100Mbps的速率执行TCP/IP堆栈，这需要大功率的供电，比Exia IIC允许的电功率还要大。但是，这不是个大问题，因为现场总线就能提供这个能力。 多协议 现场总线网络仅仅能处理单个协议，但是为了与不同的子系统相连接，有必要支持多个工业以太网协议。这是能实现的，因为工业以太网支持多协议，使它符合标准以太网和IP，正如Foundation Fieldbus HSE和Modbus/TCP等一样。这也是另一个证明以太网和现场总线的功能是如何互补的例子。不基于IEEE802.3或IP的混合工业以太网协议不具有这种多协议的功能。 互操作性 一些浅见的人一直相信以太网能够轻易地提供IEC61158标准所不能达到的互操作性。许多对这种看法毫不怀疑的用户就被误导，相信只要简单地部署以太网就能实现互操作性。但是，由于以太网只是一条将比特包从一端传到另一端的线，它单独并不能提供解决方案。TCP、UDP和IP也不能提供解决方案。幸运的是，通过在通信堆栈的顶端部署一个现场总线协议应用层，就能实现互操作性。这些标准的工业应用层协议已经按各自的现场总线技术各就各位了。为了使相互之间能合作，传动装置必须使用同样的应用层协议；许多人忽视了这个重点。以太网除了需要TCP或UDP/IP之外，还需要适当的应用层、对象结构和用户层。否则，所有标定（微调和范围）、诊断、间接测量、远程监控、传感器类型和连接选择的实现都是完全特定的，因此要花很大的精力将仪器仪表集成起来。要进行替代也是很困难的。因此，用户必须非常谨慎，保证他们所购买的设备已经过测试和注册，能够和一个公认的现场总线协议兼容，而不是在许多控制系统和产品中存在于以太网顶端的专用应用协议。 用户将不同的以太网应用层混合起来的一种方式就是使用OPC。为每个应用层和OPC桥软件使用OPC服务器，就可能协调不同的以太网协议，虽然通过Windows机制。 以太网具有现场总线所没有的特性。现场总线又具有以太网所缺乏的特性。OPC提供的特性是这两者都不具备的。现场总线用于现场层的仪器仪表。以太网不仅作为自动化系统的控制主干，而且还应用于企业的更高层。OPC是软件对软件的通信，而现场总线和以太网是硬件对硬件的通信。 现场总线存在于设备层网络，其特点是总线供电、本征安全以及能覆盖一定的距离，它仅使用两根线，无需特殊的数据通信电缆并允许多点连接等等。这些特征使它非常理想地适用于位于企业最低层的现场仪器仪表（例如变送器和阀门）。但是现场总线对于控制器之间的连接或与大型远程I/O子系统之间的连接速率非常慢。它只适用于仪器仪表。 以太网是控制系统的主干。它的特性是高速、能携带多协议，还能经由多条路径，在一些情况下能为整个局域网提供冗余。过多工业以太网协议的出现很快将会是个令人头疼的问题，因为用户想要在这些设备之间交换数据。因此，将单一的应用层协议标准用于自动化非常重要。 结论 很明显，以太网在主机层中正在取代RS485和专用的同轴网络。常规的以太网甚至非标准的现场总线和以太网的混合并不能满足现场层的所有要求，因此，现场总线和以太网在不远的将来将共存。用户必须避免使用多种专用的以太网解决方案，选择单一开放的工业应用层用于他们的工业以太网局域网并贯穿整个工厂。很有可能的是，以太网的派生物将在取代现场总线之前取代USB。 USB和以太网在办公室领域中是共存的，因为其中各自的一种协议都不能解决所有的问题。现场总线和以太网在解决仪器仪表和自动化问题时能够互相补充、共同工作，这是它们单独所不能解决的。 参考 [1]用于过程控制的现场总线—工程、运行和维护，Jonas Berge，仪器仪表、系统和自动化学会（ISA） ISBN1-55617-760-7 Jonas Berge是德国SMAR公司的工程师 晏波译自“The Industrial Ethernet Book”2004年23期 杨昌琨校对 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/6/2006)