[科普中国]-工业以太网总线

背景

随着控制、计算机、通信和网络技术的发展，以太网技术在各领域得以广泛应用，而且其设备成本不断下降，速度也不断提高。由于具有无可比拟的价格与速度优势，百兆及千兆以太网己成为世界范围内应用的标准。半导体技术的发展使以太网技术费用大幅降低，高度集成化也同时降低了网络硬件的费用。以太网技术的稳定性可靠性都得到检验，能够完全胜任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求。在与传统现场总线的对比测试中，以太网显示出了明显的优势，可以满足控制系统各个层次的要求。于是很多厂家提出了基于传统以太网技术来实现现场总线的方案。

然而，由于传统以太网采用了冲突检测载波侦听多路访问((CSMD/CD)机制。同一网络环境下，各个接入网络的设备共享传输介质，在总线竞争时都处于相同地位，会造成不确定的延时等问题。也就是说，传统以太网是一种非确定的网络系统，直接用作工业现场总线会存在一些问题。于是人们就对传统以太网进行改造或在传统以太网基础上加以改进，提出了基于以太网技术来实现现场总线的方案，由此诞生了POWERLINK, EtherCAT, EPA, NCUC-Bus, EtherMAC, SERCOS,EtherNetlIP, ModBusTCP, ProfinetSRT, MECHATROLINK等这些工业实时以太网技术。其中EPA为浙大中控等单位联合提出的具有自主知识产权的国产总线标准;NCUC-Bus为华中数控等多家单位组成的“机床数控系统现场总线技术联盟”联合制定的国产现场总线标准;EtherMAC为本文作者所在的课题组山大数控中心自主开发的实时以太网总线技术，当前己成功应用到多个数控系统、工业机器人等运动控制领域。

优势现场总线的优势（1）节省硬件与投资

由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感器控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。

（2）节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计和安装的工作量，据有关典型试验工程的测算资料表明可节约安装费用60%以上。

（3）节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行状态，诊断维护信息以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

（4）用户具有高度的系统集成主动权:用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

（5）提高了系统的准确性与可靠性:由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差，同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

工业以太网的优势工业以太网采用商用以太网技术，并根据采用环境和条件进行改进设计保证在电源抗波动范围、机箱防尘防潮、故障自愈、工作可靠性、芯片工作温度、稳定性及电磁兼容性等方面有更好的性能和特点。工业以太网的优势：2

（1）应用广泛

以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。

（2）通信速率高

目前，10, 100 Mbps的快速以太网已开始广泛应用，1Gbps以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mbps。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

（3）成本低廉

以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多(约为1/10)；另外，以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

应用前景目前，国外对以太网作为控制总线的研究已经进入开发阶段。惠普公司应用工EEE1451. 2标准，生产嵌入式以太网控制器具有lOBase-T以太网接口，运行FTP/HTTP/TCP/UDP协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。几个主要的现场总线组织也在制定基于以太网的现场总线协议，如工ndnstrial Ethernet Association(IEA)等主要现场总线系统制造商也在积极进行现有现场总线和以太网无缝集成的标准制定和技术开发工作。3

在许多领域，已经将工业以太网用于实际工程。在美国德克萨斯州的某实验室中进行测试的HSE连接器技术就是其中的一例。在这个现场岩石控制系统中，数个H1现场总线网段通过连接器连接到HSE主干网上。H1现场设备控制着水位、流量和其他回路，还监视了许多测量量如温度等。其中，HSE主机用来组态和监控连接器及H1设备。每个H1网段有它自己的链路活动调度器(LAS, LinkActive Scheduler)，这些LAS存在于连接器中，负责各H1网段的链路调度。LAS使H1网段在HSE主机脱离主干网的情况下仍能工作。所有或部分HSE网络和设备通过非冗余、松散式冗余和紧凑式冗余方式，达到容错目的。

用发展的眼光看，为实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通信协议外，还需要解决网络的本安防爆、总线供电等技术问题。另外以太网层次复杂，在传输、处理数据时效率不如现场总线高。只有当这些问题解决之后，以太网技术才会真正成为现场总线的主角。

将以太网和现场总线相结合是未来控制技术发展的一种趋势。随着技术的改进，标准的建立和对信息集成要求的不断提高，以太网技术应用于现场总线的优势将越来越明显。它将在电力自动化、楼宇自动化、家庭自动化等原先为现场总线统治的领域中，引发又一次的革新。现场总线开创了工业控制开放性的时代，而以太网技术会把开放型的思想在更高的管理与决策层而上得以实现。