工业以太网技术及其应用

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1、第八届工业仪表与自动化学术会议工业以太网技术及其应用包伟华（上海自动化仪表股份有限公司技术中心，上海200233）摘要：首先分析了工业企业综合自动化的要求，介绍了现场总线技术的现状和发展趋势，阐述了用以太网统一智能工厂各层次网络通信的重要性。结合以太网技术的基础知识和最新发展，详细分析了以太网技术在工业自动化领域应用存在的若干问题，最后介绍了目前国内外几种主流工业以太网解决方案的技术特点。关键词：CIMS智能工厂现场总线工业以太网实时以太网实时性确定性。0引言对于工业企业来说，计算机综合管理与控制系统(CIMS)技术是信息化的一个重要环节。CIMS是“智能工厂”生产经营与自动

2、化的一种新模式，代表了新一代的生产力，其目标是实现高效率、高柔性、高质量和低成本的生产，以提高工业企业的技术经济效益，增强市场竞争力。其主要手段是集成化、系统化、自动化和信息化。近年来，CIMS的应用对象已经从以离散制造业为主，逐步渗透到流程工业和混合型制造业。因此，工业企业综合自动化系统，不仅包括生产过程控制系统，还可以根据市场需求和企业生产能力制定生产计划和调度排产、生产管理和售后服务，涉及到产品生命周期的所有过程，为企业提供全面的解决方案。一般来讲，工业企业综合自动化系统由企业资源管理系统ERP、生产执行系统MES和生产过程控制系统PCS等3大子系统组成。要实现工业企业

3、综合自动化，必须从PCS、MES到ERP等3个层次提供一体化的智能工厂整体解决方案。为此，企业应首先建立完善的管控一体化网络，实现各层次信息的有机集成，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力；其次，必须形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链，提高市场反应的敏捷性和产品转型的灵活性，时刻保持产品高质量、多样化和领先性；再次，必须实现企业生产制造资源与其它资源管理的一体化集成，实现生产现场在线设备动态管理，降低成本。工业控制网络作为智能工厂的核心基础，可分为管理层、制造执行层（或过程监控层）和现场设备层等3个层次。其中，最上层的管理层网络，主要用于企业的计划、

4、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。其特点是数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络必须具有较大的带宽。管理层网络主要由快速以太网（100M、1G、10G等）组成。中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，如今这一层网络则主要由基于工业以太网技术的高速现场总线网络（如FFHSE、ProfiNet、Ethernet/IP等）组成。而最底层的现场设备层网络，与变送器、执行机构等现场设

5、备相连，采集现场数据，并将控制数据送入设备。其主要特点是数据传输的及时性和系统响应的实时性、可靠性等要求比较高。1第八届工业仪表与自动化学术会议一般认为，以太网由于采用了CSMA/CD介质访问控制机制，其通信具有不确定性的特点，不适合作为现场设备层的网络。因此，这一层次的网络目前主要由低速现场总线网络（如FF、Profibus、DeviceNet等）组成。由此可以看出，作为一个综合自动化系统，各个层次上的应用系统由于采用不同的网络技术和网络协议，无法实现真正的无缝信息集成。另外，由于现场总线技术没有统一的标准，无论是用户还是制造商，都在寻求新的出路。另外，在企业信息系统中，T

6、CP/IP以太网已经成为事实上的标准网络，将标准TCP/IP以太网延伸到工业实时控制，将很好地帮助用户获得更加开放集成的工业自动化和信息化的整体解决方案。因此，用以太网统一各个网络层次，已成为自动化技术发展和智能工厂建设的趋势。1现场总线技术的现状与发展趋势现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、串行双向传输、多节点的开放式通信网络，是计算机技术、网络通信技术、智能仪表技术、自动控制技术等几大技术发展的交汇点，被作为自动控制智能化、数字化、分散化和网络化的典型代表，因而，一直是近年来自动化领域技术发展的热点之一。1984年，IEC/TC65/SC65C/WG6工作组正

7、式开始现场总线标准化工作，2000年1月国际电工委员会（IEC）正式通过了该工作组制订的IEC61158—测量和控制数字数据通信—工业控制系统用现场总线，包含了8个类型，为了便于标准的应用，又制订了IEC61784作为解释和补充，分成7个协议族，即FF，ControlNet、Profibus、WorldFIP、Interbus、P-Net、SwiftNet。2003年4月，IEC/TC65/SC65C/MT9负责修订的IEC61158现场总线标准第3版,增加了Ethernet/IP，PROFInet等基