1.2 工业网络通信技术

1.2.1 工业通信技术简介

网络技术无疑是21世纪影响甚至改变公司经营决策的一项最重要技术。随着信息技术的发展，自动化领域也经历了一场由组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）到现在工业以太网控制的深层次变革。现在，工业自动化领域的现状是PLC系统，DCS仍然在许多行业有着广泛的应用；FCS已逐渐被大家认可，并以每年30％的增长率快速发展；而工业以太网控制系统则日趋完善，并有望解决控制系统对网络实时性和确定性的要求，实现工业网络控制标准的最终统一。

1.2.2 工业网络的特点

网络技术的产生对工业控制来说有以下优点：安装布线方便，模块化，易于诊断，自我建构，企业化管理。虽然工业控制网络有这些优点，但实际上工业控制网络的进展却远不及商业网络，主要原因有二，其一，工业网络标准太多：各厂商从自身利益考虑会极力推行自己的网络标准。不同的网络协议针对特定的应用领域，因而具有各自的特点，各有其存在的环境和价值。而且新的协议还在不断地产生，这样用户往往无所适从，担心一旦选用了一种协议后，会被某些厂商钳制。其二，网络化所必须增加的成本对用户来讲往往是一项沉重的负担。所以直到现在，具有网络接口的元件还很少，运动控制器也是如此。

工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。具体有以下三种类型：

1.专用、封闭型工业网络

该网络规范是由各公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向：

1）走向封闭系统，以保证市场占有率。

2）走向开放型，使它成为标准。

3）设计专用的网关（Gateway）与开放型网络连接。

2.开放型工业网络

除了一些较简单的标准是无条件开放外，大部分是有条件开放的，或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员，产品需经过该组织的测试、认证，方可在该工业网络系统中使用。

3.标准工业网络

符合国际标准IEC61158、IEC62026、ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网络，它们都会遵循ISO/OSI7层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面，或是自己设计通信IC，然后再依据应用领域设定数据传输格式。例如，DeviceNet的物理层与数据链路层是以CANbus为基础，再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。

目前，IEC61158认可的八种工业现场总线标准分别是：Fieldbus Type1、PROFIBUS、ControlNet、P-NET、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。

1.2.3 工业网络的架构

现有的工业控制网络可以根据其应用场合的不同分为以下几种：

1）SensorBus：低阶网络，通常用来连接低阶的传感器、执行器等现场设备，传输数据量最少，例如AS-i、Interbus-S。

2）DeviceBus：它界定的范围最广，只要是能对网络化设备提供通信或诊断功能的都属于这种类型。例如CANOpen、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS-DP。

3）FieldBus：通常是架构在Devicebus之上，用来传输大批量的数据，但传输速度较慢。有的也提供一些设备终端控制的功能，例如WorldFIP、Foundation Fieldbus、PROFIBUS-PA。

4）ControlBus：提供高阶控制设备（例如PLC，CNC）间的对等网络通信（Peer-to-Peer），例如ControlNet。

5）EnterpriseNet：企业的骨干网络，一般为Ethernet TCP/IP。

这五类网络的连接方式是，先将同一类型的网络串接起来，然后再把不同类型的网络通过Gateway连接起来。

1.2.4 工业通信技术的发展趋势

工业控制经历了早期单一设备简单的I/O，后来增加模拟量的采集和逻辑控制功能，接着，20世纪80年代中期产生的现场总线，将智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展成为可能，使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。这一发展历程也可以用图1-4说明。

图1-4 工业控制系统的发展历程

由此可见标准化、开放性是控制系统通信网络的发展趋势，如图1-5所示。

图1-5 控制系统通信网络的发展趋势

现场总线国际标准IEC61158经过10多年的争论和斗争后，放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括10余种总线的国际标准，如PROFIBUS、ControllerLink、FF、WorldFIP、Interbus、DeviceNet等。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。

与之相对应，传统意义上的以太网优点在于已有巨大的网络基础和长期的经验知识，同时以太网具有性价比较高、初始成本和运营成本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等特点。

特别是近些年，以太网技术已有重要变化和突破（完善的LAN交换，星形、环形乃至混合网络布线，大容量MAC地址存储等），与传统的以太网相比，其面貌已大为改观，从共享媒质转向了枢纽或星形结构并采用LAN交换后，实现了计算机间的信息隔离。更重要的是使以太网从此转向全双工传输，消除了链路带宽的竞争和潜在的碰撞机会。加上以太网通信速率的大幅度提高，大大消除了以太网通信的不确定性，提高了以太网通信的实时性和QoS（Quality of Service，服务质量）。特别是实时工业以太网的出现，进一步保证了网络的传输性能。由于采用专用的无碰撞全双工光纤连接，还可以使以太网的传输距离大为扩展。同时工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方面发展，使通信成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。

长期以来，由于现场总线争论不休，互通与互操作问题很难解决，于是现场总线开始转向以太网。这得益于近些年，随着工业以太网的快速发展和关键技术的突破，使得工业自动化领域控制级以上的通信网络正在统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。在工业控制领域，出现了现场总线在转向工业以太网的同时，又将现场总线之争让路给工业以太网的局面。

通过现场层和过程控制层的工业以太网，可以与管理层和企业信息层的办公以以太网无缝连接，从而大大简化了整个网络的构建，真正实现了企业的信息共享！当然，出于对网络及信息安全的考虑，可以通过VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）划分，地址绑定，用户访问安全控制，数据加密，甚至增加防火墙等方法来保障。

现场总线与工业以太网络技术是现代自动控制技术和信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，同时也是信息化带动工业化的重点方向！