现场总线和以太网应用于智能化网络.ppt

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1、现场总线和以太网在电器智能化网络中的应用,主要内容,1.电器智能化网络 2.现场总线在电器智能化网络中的应用 3.以太网的发展发展历程 4.工业以太网应用于控制网络的可行性 5.电器智能化网络的发展趋势,1.电器智能化网络,电器智能化网络本质上是一种控制网络，与通用信息网络有着显著的差别。电器智能化网络特别强调信息传输的可靠性和实时性。 一般来说，电器智能化网络的响应时间要求为0.010.5s，而通用信息网络的响应时间要求为2.06.0s。在通用信息网络的大部分应用中，实时性要求是可以忽略的。 电器智能化网络强调数据在恶劣环境下传输的可靠性，特别是在强电磁干扰的环境中数据要能够长时间、可靠、完

2、整地传送。 在煤矿等特殊应用场合，还应具备本质安全性能。,电器智能化局域网结构,当前实际应用的电器智能化网络基本都是建立在现场总线和工业以太网平台上的局域网。 其主干网通常采用工业以太网，底层控制网络采用现场总线. 通讯控制器完成不同现场设备与以太网通讯协议的转换。,2.现场总线在电器智能化网络中的应用,2.1现场总线的定义 现场总线(Fieldbus)是应用在工业现场环境中，连接后台管理系统和现场运行的智能化设备的数字通讯网络。 实现后台管理设备与现场设备之间信息的双向、串行传输。,2.现场总线在电器智能化网络中的应用,2.2现场总线的优点 （1）现场总线使系统步入了信息网络的行列。 （2）

3、现场总线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用。 （3）现场总线提高了系统的可靠性。 （4）现场总线为用户提供了更为灵活的系统集成方式。,2.现场总线在电器智能化网络中的应用,目前世界上存在着大约40多种现场总线： 如法国的FIP， 英国的ERA， 德国西门子公司的ProfiBus， 挪威的FINT， PhenixContact公司的InterBus， RoberBosch公司CAN，,CarloGarazzi公司Dupline， 丹麦ProcessData公司的P-net， PeterHans公司的FMux， 以及ASI、MODBus，SDS、Arcnet、 国际标准组织-基金会现场总线F

4、F：FieldBusFoundation，等等。,2.现场总线在电器智能化网络中的应用,2.3电器智能化网络常用的现场总线 为了使电器智能化网络具有更大的开放性，保证用户能够根据其使用需求选择不同厂家的产品，组成性价较高的应用系统，目前越来越多的智能电器生产厂家在电器智能化网络设计中常采用国际流行的现场总线标准，最常用的有MODBUS、CAN总线、PROFIBUS等等。,2.现场总线在电气智能化网络中的应用,2.4现场总线存在的问题 虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进一步扩大。 （1）现场总线的选择 虽然目前国际电工委员会已达成了国际现场总线标准,但总线种类仍然

5、过多, 每种现场总线都有自己最合适的应用领域。 如何在实际中根据应用对象,将不同层次的现场总线组合使用,使系统的各部分都选择最合适的现场总线,对用户来说, 比较困难。,2.现场总线在电气智能化网络中的应用,2.4现场总线存在的问题 （2）系统的集成问题。 实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线,因此如何把工业控制网络与管理信息网络进行集成连接,从而使整个系统实现管理和控制的一体化,比较困难。,2.现场总线在电气智能化网络中的应用,（3）现场总线存在技术问题 1）当总线电缆截断时,整个系统有可能瘫痪。 这时用户希望系统的性能可以降低,但是不能崩溃,这一点目前许多现场总线不能保证。 2）本

6、安防爆理论的制约 现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。 3）系统组态参数过分复杂 组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大，现场总线的组态参数很多,不容易掌握 。,2.现场总线在电气智能化网络中的应用,2.5现场总线的发展趋势 从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： （1）寻求统一的现场总线国际标准 （2）工业以太网走向工业控制网络。,2.现场总线在电气智能化网络中的应用,电器智能化网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼容问题一直困扰工业界。 底层网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在

7、水平层面上的集成成本。,3.以太网简介,3.1以太网 以太网（Ethernet）最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。 以太网不是一种具体的网络，而是一种技术规范。,3.以太网简介,3.2以太网的发展 1973 年Metcalfe（梅特卡夫） 博士在施乐实验室发明了以太网, 并开始进行以太网拓扑的研究工作。 1976 年施乐公司构建基于以太网的局域网络,并连接了超过100台PC。 1980 年DEC、Intel 和施乐联手发布10Mbps以太网标准提议。 1983 年IEEE 802.3 工作组发布10BASE- 5“粗缆”以

8、太网标准, 这是最早的以太网标准。 1986 年IEEE 802.3 工作组发布10BASE- 2“细缆”以太网标准。,3.以太网简介,1991 年IEEE 802.3 工作组发布10BASE- T“无屏蔽双绞线( UTP) ”以太网标准。 1995 年IEEE 通过802.3u 100M以太网标准。 1998 年IEEE 通过802.3z 1000M 以太网标准( 基于光纤和对称屏蔽铜缆) 1999 年IEEE 通过802.3ab 1000M以太网标准( 基于五类线) 2002 年IEEE 通过802.3ae 10G 以太网标准。 20102011 年预计发布100G 以太网标准。,3.以太

9、网简介,统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。 事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。 随着基金会高速现场总线FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。,3.以太网简介,3.3以太网的一般特征 （1）共享媒体：所有网络设备

10、使用同一通信媒体。 （2）广播域：需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻址到的节点才会接收到帧。 （3）工作机制：以太网中利用载波监听多路访问/冲突检测方法CSMA/CD ，以防止两个或更多节点同时发送。,3.以太网简介,3.4以太网工作方式 以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，也可以说以太网是一种广播网络。 以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制。,3.以太网简介,CSMA/CD过程： 当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： （1）帧听信道上是否有信号在传输：如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续帧听 ，直到信道空闲为止； （2）若没有帧

11、听到任何信号，就传输数据； （3）传输的时候继续帧听，如发现冲突则执行退避算法 （4）若未发现冲突则发送成功，计算机会返回到帧听信道状态。,4.工业以太网,4.1工业以太网的出现 以太网标准的出现极大地推进了今天的网络技术的发展，高速以太网的出现则将网络的速率和带宽发展推至了一个更高的标准。 到今天，高速以太网的仍在不断完善和改进，实时性和可靠性也在不断提高，应用日益广泛，工业以太网技术在这种发展趋势下应运而生，并成为一个独立分支快速发展。,4.工业以太网,4.2工业以太网 工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容 ，但在产品设计时，在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需

12、要，是一种典型的工业通讯网络。,4.工业以太网,4.3工业以大网应用于控制网络的优势 主要体现在以下几个方面：,4.工业以太网,（1） 通信速率高 目前以太网的通信速率为10M或100M，1000M、10G的快速以太网也开始应用，以太网技术也逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快很多。,（2）采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。 由于以太网的广泛应用，它的发展一直受到广泛的重视，大量的技术投人，保证了以太网技术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需追加的研究投人。这一点是任何现有的现场总线技术无法比拟的。 工业以太网

13、可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一。,4.工业以太网,（3） 兼容性好 以太网基于TCP/IP，是一种标准的开放式网络，适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，能实现管理和控制网络的信息集成。,4.工业以太网,（4） 易于与互联网（Internet）连接 以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过互联网（Internet）对企业进行监控，能便捷地访问远程系统。,4.工业以太网,（5） 成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的广泛支持 。 目前以太网网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格

14、还会进一步下降。,（6）最重要的是，如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术相互促进的局面。 这将意味着可以实现自动化控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生新的生机和活力。,4.工业以太网,4.4工业以太网技术应用于控制网络存在的问题 (1)通信实时件问题 以太网采用载波侦听多路访问和冲突检测CSMACD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。 平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不

15、适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实可行的解决方案。,4.工业以太网,4.4工业以太网技术应用于控制网络存在的问题 (2)对环境的适应性与可靠性问题 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其抗干扰能力需要进一步提高。,4.工业以太网,4.4工业以太网技术应用于控制网络存在的问题 (3)总线供电 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术郁可利用网线对现场设备供电。 工业以太网目前还没有对网络节点供电做出统一的规定。,4.工业以太网,4.4工业以太网技术应用于控制网络存在的问题 (4)本质安全 工业以太网如果要用在一些

16、易燃易爆的危险工作场所，就必须考虑本安防爆问题。,4.工业以太网,4.5 以太网用于控制网络的可行性 网络每个节点通过竞争来取得信息的发包权。节点通过监听信道，当发现信道空闲时，再发送信息，如果信道忙碌则需要等待。在开始发送信息后，需要检查是否发生碰撞，发送信息发生碰撞时，退出重发。这样如果节点比较忙碌，或冲突节点相距很远，就可能发生某些节点的信息不能发送及时发送，甚至长时间发不出去的情况，这在工业控制中是不允许的。,4.工业以太网,4.5 以太网用于控制网络的可行性 近年来，随着互联网技术的普及和推广，以太网也得到了飞速发展，特别是以太网通讯速率的提高、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非

17、确定性问题带来了契机。 （1）以太网的通讯速率一再提高，使网络负荷进一步减轻、碰撞减少，提高了系统的确定性；,4.工业以太网,10Mbps以太网 100Mbps快速以太网 1000Mbps千兆以太网 10000Mbps万兆以太网,4.工业以太网,100Mbps快速以太网 由于信息化社会的迅速发展，使得网络信息交流剧增，同时文本的、数据的、语音的等各种形式的信息传输越来越频繁。所以对计算机网络的传输速率要求越来越高，10Mbps的传输速率已不能满足某些应用场合的需求。,4.工业以太网,1000Mbps高速以太网 在高速宽带连接中面对ATM和FDDI技术的挑战，100Mbps快速以太网已经显得吃力

18、。1995年11月，IEEE802.3工作组委任了一个高速研究组（higher speed study group），研究将快速以太网速度增至更高。 该研究组研究了将快速以太网速度增至1000Mbps的可行性可方法。 2002年，千兆以太网得到了广泛的应用，千兆作主干百兆作桌面的网络设计非常普遍。,4.工业以太网,10000Mbps万兆以太网 2002年7月，万兆以太网标准最终发布。 万兆以太网标准不仅将以太网的带宽提高到10Gbps（在使用万兆以太网信道的情况下可以达到40Gbps甚至更高的速率），同时也将通信距离提高到数十公里甚至上百公里 。 已不再采用CSMA/CD机制，只支持全双工方式

19、，但继续继承802.3以太网帧，充分兼容以太网技术。,4.工业以太网,IEEE P802.3ba任务组主席兼Force10 Networks高级研究科学家John DAmbrosia（安布罗希亚） “由于不断增长的视频流量和更强大服务器架构的推动，计算机和网络应用程序对带宽的要求也随之增大，下一代以太网将会对40 Gbps和100 Gbps进行定义，以满足这些需求。”,4.工业以太网,10万兆以太网 2006年7月，美国电气和电子工程师协会IEEE 802.3成立了高速链路研究组（Higher Speed Study Group，简称 HSSG）来定义标准的目标。 2007年12月，高速链路研

20、究组HSSG正式转变为IEEE 802.3ba任务组，其任务是制订在光纤和铜缆上实现100 Gbps和40 Gbps数据速率的标准。,4.工业以太网,4.5 以太网用于控制网络的可行性 (2)交换式以太网 以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，其做法是把网络用交换机分割成互不相连的几个网段，每个设备独占一个网段，连接在同一个交换机上面的不同设备不存在资源竞争。,4.工业以太网,在整个共享型以太网系统中，受到CSMA/CD媒体访问控制方式的制约，整个系统处在一个碰撞域范围中，系统中每个站都可能在往媒体上发送帧，包括10BASE 5、10BASE 2和10BASE T系统，都

21、属于是共享性以太网。,4.工业以太网,一个冲突域内在一个特定时刻只能有一个站点发送数据帧，其它站点只能接收数据帧,4.工业以太网,为了解决共享型以太网的问题，于是产生了交换型以太网。 交换型以太网的特点是使用交换机代替Hub，交换机可以使多个用户同时使用此网络。这样一来，不用去考虑其他用户的使用情况，因此网络的实际带宽得到大幅度提高，可以实现高速的数据传输，任何应用都不会为带宽而担忧了。,4.工业以太网,交换式局域网的核心设备是交换机 多端口间并发连接 独享端口的带宽,4.工业以太网,4.5 以太网用于控制网络的可行性 (3)全双工通讯技术 全双工通讯技术又为每一个设备和交换机端口之间提供了发

22、送与接收的专用通道，因此使不同以太网设备之间的冲突大大降低（半双工交换式以太网）或完全避免（全双工交换式以太网）。因此，以太网成为“确定性网络”，为它应用于控制领域消除了主要障碍。,4.工业以太网,全双工以太网与传统半双工以太网技术的区别在于： 每个端口和交换机背板之间都存在两条逻辑通路。这样，每一个端口就可以同时接收和发送帧，不再受到CSMACD的约束，在端口发送帧时不再会发生帧的碰撞，已无碰撞域的存在。 全双工的优点是很明显的：同时发送和接收，在理论上这可以使传输速度翻一番。,4.工业以太网,4.5 以太网用于控制网络的可行性 (4)工业底层网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼容问题一

23、直困扰工业界。 底层网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本，所以，以太网向现场总线控制系统的底层延伸是顺理成章的。,5.电器智能化网络的发展趋势,现代电力系统要求对不同地区电网、不同发电站的电能进行统一管理和调度，各地区电网能进行集中监控，同时希望各地区电网的某些资源，如可以公用的管理系统软件、某些事故发生前运行参数变化的历史数据、对事故分析处理的措施等可以共享，这些都要求电器智能化网络更加开放，功能更加完善。 控制网络和信息网络的集成将是电器智能化网络发展的趋势,5.电器智能化网络的发展趋势,5.1控制网络和信息网络的集成的方

24、法 控制网络和信息网络采用统一协议标准将成为控制网络和管理信息网络集成的最终解决方案。 由于控制网络和管理信息网络采用了面向不同应用的协议标准，二者集成总需要某种数据格式的转换机制，这将使系统复杂化。 如果控制网络和管理信息网络应用相同的协议标准，这样从底层设备到远程监控系统，都可以使用同一的协议标准，确保了信息准确、快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。,5.电器智能化网络的发展趋势,5.2工业以太网实现网络集成的优势 当前多种总线标准并存，信息协议也不尽相同，所以要实现控制网络与信息网络采用统一的协议标准，还有很多问题要解决。 工业以太网协议可以兼容TCP/IP，因此可以方便地实现以

25、太网和Internet的集成，使控制网络和信息网络紧密的结合在一起，最终实现统一的网络结构。,以太控制网络的网络层与传输层采用TCP/IP协议的优势是： (1)TCPIP协议已是国际公认的工业标难易于 建造开放的以太控制网络。 (2)通过了TCPIP编程接口，易于开发以太控制 网络的应用软件。 (3)在局域网中，网络性能比较好，出现差错的几率小，合理利用TCP和UDP的优点能满足以太控制网络的实时性与可靠性要求。,5.3工业以太网的发展前景 以太网描述了物理层和数据链路层，并已成为互联网Internet的协议。 所以，许多现场总线组织也在致力于发展IP和以太网技术。,5.电器智能化网络的发展趋

26、势,目前以太网技术的开发情况如表所列。,5.电器智能化网络的发展趋势,5.4电器智能化网络的发展趋势 现在人们期望一种统一的现场总线并没有出现，这让许多用户感到失望。不过这也体现出在现场总线领域里竞争激烈和发展强劲的局面。 从用户应用的角度来看，多种现场总线标准并立并不是一件好事，因为在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表，需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题，这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。,5.电器智能化网络的发展趋势,5.电器智能化网络的发展趋势,5.4电器智能化网络的发展趋势 目前来看， 现场总线技术与以太网技术相结合将是未来的发展方向。 从长远来看，控制网络和管理信息网络终将归为一体，其间现场总线将起到沟通生产过程数据流和信息网络数据的桥梁作用。,