1、工業通信網絡與技術（現場總線）許勇xuy主要教學內容和學時分配第一章 工業通信概述2第二章 數據通信基礎4第三章 通信總線技術及應用8計算機接口總線工控機與測控儀器接口總線常用工業通信總線第四章 現場總線/控制網絡的核心技術8現場總線概述HSE/H1Profibus等網絡集成式控制系統第五章 汽車網絡和CANbus14第六章 工業以太網及其應用 4合計 40第六部分 工業以太網 工業總線技術的發展趨勢：1.注重系統的開放性 封閉、自成一體的系統定會消亡2.注重應用系統設備間的互操作性早期的總線技術多注重在通信協議上，而近年來其技術發展逐漸轉向應用與用戶層的相關規范，如設備描述、標準功能塊等。應

2、用系統設備間的互連不只要完成數據通信，還要構成控制網絡，形成測量控制應用系統，而應用與用戶層規范與設備間的互可操作性直接相關。設備間的互操作依靠應用層協議CAN是封裝在芯片中的通信協議；485只是物理層的電氣接口規范，由它們構成控制網絡還需借助另外的協議規范數據信號的傳輸、數據理解可能的出路出路一各種現場總線統一到1-2種。IEC61158的產生本身就說明這種可能性很小。出路二開發所有現場總線通用的接口，成本較高且難度較大。出路三各國不理睬IEC61158，采用自主知識產權的協議。不符合經濟全球化發展趨勢。出路四采用已經是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協議，并使其在工業體育場成

3、熟應用，易于被廣大國家用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。工業 Ethernet6.1 概論 Ethernet進軍工業自動化的主要動力是：成本低；速度的提高，因普通遍應用所形成的硬件資源、軟件資源和廣泛支持。Ethernet是世界上應用最多的網絡，超過93%的網絡節點為Ethernet。 現場總線標準之爭，給了以太網進入自動化領域一個難得的機會。面向工廠自動化基于以太網+TCP/IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。望文生義可以理解為：“協議規范統一，信息透明存取”。 以太網已成功的應用于工業自動化諸多方面，以太網技術入工業過程控制底層，即設備層，甚至取代現有的現場總線技術成為統一的工業網絡

4、標準？以太網在自動化領域應用現狀工業以太網成功應用實例，主要集中在以下幾個方面：車間級生產信息集成：主要由專用生產設備、專用測試設備、條碼器、PC機及以太網絡設備組成；主要功能是完成車間級生產信息及產品質量信息的管理。管理層信息網絡：即支撐工廠管理層MIS系統的計算機網絡。主要完成如ERP的信息系統。SCADA系統：特別是一些區域廣泛、含有計算機廣域網技術、無線通信技術的SCADA系統，如城市供水或污水管網的SCADA系統、水利水文信息監測SCADA系統等。個別的控制系統網絡：個別要求高可靠性和一定實時性的分布式控制系統也有采用以太網+TCP/IP技術，并獲得很好的效果；如水電廠的計算機監控系

5、統。自動化系統和管理管理的融合，WEB技術和無線等應用促使自動網絡采用通用的Ethernet。Ethernet本身的迅速發展，在性能價格上還有改善空間。Ethernet，TCP/IP本身為互操作性問題鋪平了道路。在單元和模板以上，Ethernet已具有優勢。在傳感器級別性價比還不具競爭力。在儀表等領域，Ethernet要滿足本安型應用有一定難度，也很難滿足對儀表供電等要求。促進工業Ethernet應用對中國產業界的影響及建議由于沒有一種總線在中國占壓倒性優勢，跟蹤并采用國際先進和技術可以發揮后發優勢。采用開放、免費并且知識產權限制的技術Ethernet和TCP/IP，可以節約資金，并有得自主知

6、識產權技術的開發。減少專有網絡的影響，有利于形成公平的市場競爭環境。采用Ethernet和TCP/IP等開放的技術，為參與國際技術競爭創造良好的條件。網卡的作用 網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網卡”。 網卡的重要功能：進行串行/并行轉換。對數據進行緩存。在計算機的操作系統安裝設備驅動程序。實現以太網協議。 CPU高速緩存存儲器I/O 總線至局域網網絡接口卡（網卡）串行通信并行通信以太網提供的服務 以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差

7、錯的糾正由高層來決定。如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。 爭用期使用 CSMA/CD 協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。 這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。以太網的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。 二進制指數類型退避

8、算法 (truncated binary exponential type)發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。定義重傳次數 k ，k 10，即 k = Min重傳次數, 10從整數集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 爭用期的長度 以太網取 51.2 s 為爭用期的長度。對于 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發送512 bit，即 64 字節。以太網在發送數據時，若前 64 字節沒有發生沖突，則后

9、續的數據就不會發生沖突。 最短有效幀長：如果發生沖突，就一定是在發送的前 64 字節之內。 由于一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小于 64 字節。 以太網規定了最短有效幀長為 64 字節，凡長度小于 64 字節的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 強化碰撞：當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時，除了立即停止發送數據外，還要再繼續發送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現在已經發生了碰撞。6.3 以太網通信協議物理層：傳統以太網的連接方法： 傳統以太網可使用的傳輸媒體有四種：銅纜（粗纜或細纜）銅線（雙絞線）光纜這樣，以太網就有四種不同的

10、物理層。 10BASE5粗纜10BASE2細纜10BASE-T雙絞線10BASE-F光纜以太網媒體接入控制 MAC以太網的 MAC 層MAC 層的硬件地址在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 802 標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。 但鑒于大家都早已習慣了將這種 48 bit 的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。第 1最高位最先發送最低位最高位最低位最后發送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最先發送最高位最低位最高位最后發送機構惟一

11、標志符 OUI擴展標志符高位在前低位在前十六進制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80二進制表示的 EUI-48 地址：第 1 字節第 6 字節I/G 比特I/G 比特字節順序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字節順序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4MAC 幀物理層MAC 層IP 層以太網 V2 MAC 幀目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式目的地址字段 6 字

12、節MAC 幀物理層MAC 層IP 層以太網 V2 MAC 幀目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式源地址字段 6 字節MAC 幀物理層MAC 層IP 層以太網 V2 MAC 幀目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式數據字段 46 1500 字節數據字段的正式名稱是 MAC 客戶數據字段最小長度 64 字節 18 字節的首部和尾部 = 數據字段的最小長度 MAC 幀物理層MAC 層IP 層以太網 V2 MAC 幀目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP

13、數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式FCS 字段 4 字節當傳輸媒體的誤碼率為 1108 時，MAC 子層可使未檢測到的差錯小于 11014。 當數據字段的長度小于 46 字節時，應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的 MAC 幀長不小于 64 字節。 MAC 幀物理層MAC 層IP 層以太網 V2 MAC 幀目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式10101010101010 10101010101010101011前同步碼幀開始定界符7 字節1 字節8 字節插入在幀的前面插入的 8 字節中的第一個字段共 7 個

14、字節，是前同步碼，用來迅速實現 MAC 幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC 幀。 為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比 MAC 幀還多 8 個字節用集線器使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。擴大了局域網覆蓋的地理范圍。碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那么就不能用集線器將它們互連起來。用網橋。網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發。網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的端口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個端

15、口. 局域網擴展網橋的內部結構 站表端口管理 軟件網橋協議 實體端口 1端口 2緩存網段 B網段 A111222站地址端口網橋網橋優點：過濾通信量。 擴大了物理范圍。提高了可靠性。可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網。存儲轉發增加了時延。 缺點：在MAC 子層并沒有流量控制功能。 具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。 使用網橋的優缺點 1990 年問世的交換式集線器(switchi

16、ng hub)，可明顯地提高局域網的性能。交換式集線器常稱為以太網交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層）。以太網交換機通常都有十幾個端口。因此，以太網交換機實質上就是一個多端口的網橋，可見交換機工作在數據鏈路層。以太網交換機的每個端口都直接與主機相連，并且一般都工作在全雙工方式。交換機能同時連通許多對的端口，使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據。 以太網交換機由于使用了專用的交換結構芯片，其交換速率就較高。 多端口網橋以太網交換機 高速以太網100BASE-T 以太網速率達到或超過 100 Mb/s 的以太網稱為高速以太網。在雙絞線上

17、傳送 100 Mb/s 基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 協議。100BASE-T 以太網又稱為快速以太網(Fast Ethernet)。 可在全雙工方式下工作而無沖突發生。因此，不使用 CSMA/CD 協議。MAC 幀格式仍然是 802.3 標準規定的。保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減小到 100 m。幀間時間間隔從原來的 9.6 s 改為現在的 0.96 s吉比特以太網允許在 1 Gb/s 下全雙工和半雙工兩種方式工作。使用 802.3 協議規定的幀格式。在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協議（全雙工方式不需要使用 CSMA/CD 協

18、議）。與 10BASE-T 和 100BASE-T 技術向后兼容。 1000BASE-X 基于光纖通道的物理層：1000BASE-SX SX表示短波長1000BASE-LX LX表示長波長1000BASE-CX CX表示銅線1000BASE-T 使用 4對 5 類線 UTP 10 吉比特以太網10 吉比特以太網的出現，以太網的工作范圍已經從局域網（校園網、企業網）擴大到城域網和廣域網，從而實現了端到端的以太網傳輸。 10 吉比特以太網與 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太網的幀格式完全相同。10 吉比特以太網還保留了 802.3 標準規定的以太網最小和最大幀長，便于升級。

19、10 吉比特以太網不再使用銅線而只使用光纖作為傳輸媒體。10 吉比特以太網只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD 協議。 吉比特以太網的物理層 可選的廣域網物理層 WAN PHY。廣域網物理層具有另一種數據率，這是為了和所謂的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相連接。為了使 10 吉比特以太網的幀能夠插入到 OC-192/STM-64 幀的有效載荷中，就要使用可選的廣域網物理層，其數據率為 9.95328 Gb/s。這種工作方式的好處是： 成熟的技術互操作性很好在廣域網中使用以太網時價格便宜。統一的幀格式簡化了操作和管理。 6.4 以太網

20、與現場總線技術的比較(1) 物理層現場總線A. 傳輸介質：多數采用屏蔽雙絞電纜（RS-485）、光纖、同軸電纜，以解決長線傳輸、數據傳輸速率和電磁干擾等問題。也有無線傳輸方案，以適應不同場合需要。 B. 插件：各種防護等級工業級的接插件。 B 線供電及本質安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的場合。 D. 編碼：異步 NRZ、位同步曼徹斯特編碼等。 E. 傳輸速率：9.6k12M 以太網A. 傳輸介質：UTP3類線、UTP5類線、 屏蔽雙絞電纜、光纖、同軸電纜, 無線傳輸的解決方案。 B. 插件：RJ45、AUI、BNC C. 總線供電及本質安全：無。 D. 編碼：同步、曼

21、徹斯特編碼。 E. 傳輸速率：10M、100M (2) 介質訪問控制方式 現場總線：現場總線的介質訪問控制方式要滿足工業控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網絡分配給站點的服務時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務。目前現場總線技術采用的介質訪問控制方式主要有：令牌、主從、生產者/客戶（producer/consumer） 以太網：CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)是以太網（或IEEE802.3）采用的介質訪問控制方式，如果不是這樣就不是以太網（或IEEE802.3）；比如采用令牌調度方式，應是基于IEEE 802.4令牌總

22、線網。 根據CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)機理，它不能滿足工業網絡通信的實時性和確定性要求。由于以太網與CSMA/CD具有對等的技術內涵，可以說以太網不是傳統工業網絡要求的實時性和確定性網絡。（3）傳輸效率：不同網絡對報文長度有一個限制。在網絡報文中，除了有效傳輸數據之外，還有一些作為同步、地址、校驗等附加字段。有效數據字段與附加字段之比反映的網絡有效數據傳輸的效率，或者說反映一次有效數據傳輸的代價。 傳輸效率=有效數據長/全部附加字段長+有效數據長 以太網全部附加字段長=26字節最大有效數據長=1500字節最小有效數據長=1字節（小于46時填0）最大傳輸效率=1500/（150

23、0+26）=98.3%最小傳輸效率=1/（1+26+45）=1.39% 現場總線PROFIBUS全部附加字段長=11字節最大有效數據長=244字節最小有效數據長=1字節最大傳輸效率=244/（244+11）=95.69%最小傳輸效率=1/（1+11）=8.33% 以太網的優勢高速10M/s、100M/s及更快比其它媒介處理更多信息普遍認知很多書籍很多經驗豐富的技術人員很多可選的媒介銅線光纖短距離無線長距離無線撥號連接性多協議HSE其它6.5 Ethernet用于工業自動化需要解決的問題Ethernet用于工業自動化有以下4個問題需解決。 實時性問題 Ethernet如何滿足現場環境問題 工業控

24、制中使用Ethernet如何獲得技術支持Ethernet與網絡安全問題1 實時性問題實時性就是信號傳輸足夠快加上確定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制實時要求。Ethernet發展的現實是：交換式100M Ethernet已廣泛應用，能提供足夠的帶寬和減少沖突。全雙工網絡和具優先權的傳送機制得保證確定性。 典型的工業應用，峰值負載為10M Ethernet的5%，在100M Ethernet網絡負載為0.5%，而Ethernet只有當負載達40%以上時才會有明顯的延遲現象。 在100M Ethernet網中，發送一個包延時超過

25、2ms的狀況，5年也不會發生一次。美國電力研究院的實驗結果可保證4ms以內。Network Topology with SwitchFull Duplex,Message PriorityFast development!Preferably high speed2 Ethernet如何滿足現場環境問題Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境的要求。在工廠環境中，Ethernet抗干擾性能較差。若用于危險場合，它不具備本安特性，也不具備通過信號線向現場儀表供電的性能。隨著網絡技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業應

26、用領域，在極端條件下網絡也能穩定地工作的問題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschman公司專門開發和生產了導軌式收發器、集線器和交換機系列產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。 美國NET silicon公司研制的工業Ethernet通信接口芯片，每片價格已降至10-15美元，與現場總線芯片相比，具有很大價格優勢。 現在的工業Ethernet現場總線采用一種稱為連接裝置（linking device）類似帶開關的集線器結構，很好地解決了Ethernet的時間確定性問題。目前，PROFIBUSDeviceNet,ControlNet和Lo

27、nWorks等都打算使用Ethernet。這些公司都在研究通過隧道（Turnnel）的簡單傳輸機構，使用Ethernet傳送報文。本質安全和總線供電本質安全：與隔爆型技術相比，本質安全技術采取抑制點火源能量作為防爆手段。實現本質安全的關鍵技術為低功耗技術和本安防爆技術。由于以太網收發器本身的功耗都比較大（6070mA5V工作電源)，基于以太網的低功耗現場設備和交換機的設計比較困難。對以太網系統采用隔爆防爆的措施比較可行。總線供電：指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供工作電源。對現場設備的總線供電可采用以下方法：方法一：在目前以太網標準的基礎上適當修改物理層的技術規范，將曼

28、徹斯特信號調制到一個直流或低頻交流電源上，在現場設備端再將這兩路信號分離出來。采用這種方法時必須注意，修改后的以太網應在物理層上與傳統以太網兼容。方法二：不改變目前以太網的物理層結構，即應用于工業現場的以太網仍然使用目前的物理層協議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現場設備提供工作電源。相比而言，第一種方法雖然實現了與傳統DCS以及FF、Porfibus等現場總線所采用的總線供電法相一致，做到了一線二用，節省了現場布線，但這種基于這種修改后的以太網設備與傳統以太網設備不再能夠直接互連，而必須增加額外的轉接設備才能實現與傳統以太網設備(如計算機的以太網卡)的連接。剛推出的IEEE802.3af標準也

29、對總線供電進行了規范。3 在工業控制中使用Ethernet如何獲得技術支持國際上成立了工業Ethernet協會（www.lndustrial.E）和IAONA（），并與研究中心等機構合作，開展工業Ethernet關鍵技術的研究。美國電氣工程師協會（IEEE）正著手制定現場裝置與Ethernet通信的新標準該標準。該標準讓網絡直接看到對象（object）。這些工作為Ethernet進入工業自動化的現場級打下了基礎。 為適應市場趨勢，全球主要自動化廠商和組織加強了工業Ethernet實現。法國施奈德公司：4年前推出透明工廠戰略，使其成為工業Ethernet應用的堅決倡導者。ModbusTCP/IP

30、（1998）是目前工業Ethernet事實了標準，并促進Ethernet在傳感器和設備級的應用。 德國門子公司：1998年發布工業Ethernet白皮書，并于2001年發布其工業Ethernet的規范，稱為PROFINET。美國洛威爾自動化公司：2000年發布工業Ethernet規范，稱為Ethernet/IP。基金會現場總線FF：2000年發布工業Ethernet規范，稱為HSE。4 Ethernet與網絡安全問題在工廠運用互聯網技術并不意味著工廠網絡一定要連接到互聯網。采用網絡的工廠，連入互聯網均使用TCP/IP。這樣就面臨互聯網類似的安全問題。安全隱患：病毒、工業間諜、黑客、軟件BUG、

31、恐怖主義。黑客的動機：金錢、信息、恐怖主義、破壞、政治等，工業現場相對較少吸引力。物理連接管理提高安全性：PLC操作系統是專有的，不易受到黑客、病毒的侵略。 RAS、VPN提供遠程訪問：硬件身份識別?？商峁┒喾N安全機制：用戶密碼、數據加密、防火墻等。隨著生物信息技術的發展，指紋、聲音等生物信息將提高網絡的安全性。有些公司已推出了完全以工業Ethernet為基礎的控制系統，其工廠級、監控級和現場級均采用基于TCP/P通信協議的工業Ethernet，配備Wed server功能，這種趨勢愈來愈明顯。人們預測Ethernet/IP將會十分迅速地進入工業控制的各級網絡。基于TCP/IP的Etherne

32、t構成的工廠網絡的最大優點是將工廠的商務網、車間的制造網絡和現場級的儀表、設備網絡構成了暢通的透明網絡，并與WEB功能相結合，與工廠的電子商務、物資供應鏈和ERP等形成整體。實現所謂透明工廠：開放的商業化技術的應用 基于IT/Internet技術的產品開發：嵌入式網頁服務器和瀏覽器提供對PLC數據的訪問時間和可視化；采用開放的網絡策略 TCP/IP，物理層Ethernet；創建現有的PLC作為“內容提供商”，嵌入式服務器插件和OPC server。基于TCP/IP的Ethernet在工業自動化中的應用Ethernet及其應用層協議Ethernet/IPEthernet只提供了物理層和鏈路層協議

33、，且通常與TCP/IP等協議結合應用。由于應用層協議不同，因此難以保證其互操作性。傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）是Internet的網絡層和傳輸層協議。在商業領域，它的互操作性由Internet的應用層的文件傳輸（FTP）、電子郵件（SMTP）和他公共協議保證；在自動化領域，尚無標準的應用層，各自動化廠商都有自己的應用層，如Mod bus Ethernet TCP/IP就是一種應用層協議。當前，多個組織正為工業自動領域的TCP/IP定義公共應用層協議。例如，面向制造自動化的Ethernet，產生了一種基于控制和信息的協議（CIP）的新型Ethernet：工業實時Ethernet。這是為

34、傳輸控制協議/用戶數據協議/協議（TCP/UDP/IP）定義的、基于主機/客戶機的控制和信息協議。Ethernet的CIP稱為Ethernet/IP。 CIP是工業控制應用層協議，提供訪問數據和控制設備操作的服務集。采用UDP/IP和TCP/IP作為Ethernet網上的控制和信息協議，允許發送顯式（信息）和隱式（控制）報文。其中，隱式報文是對時間有苛刻要求的I/O信息（事件觸發、控制器互鎖等），通過UDP/IP完成的隱式報文中數據區包含實時I/O數據（CIP的控制部分）；顯式報文是無時間苛刻要求的點對點信息，可由TCP/IP完成（CIP的信息部分）。CIP向終端用戶提供了自動化系統必不可少的

35、控制、組態、數據采集服務功能。為面向自動化領域提供了Ethernet網上的工業自動化設備的互操作性和可換性.以下為工作重點：IP地址即插即用互操作的通用策略、裝置描述和恢復機制；網絡診斷議案；使用WEB技術；一致性測試需求；消除協議間的差異的應用接口。OPC DX是一個開放的標準，提供了可互操作的數據交換和以太網上的通信。它是已存在的OPC數據訪問規范的擴充，它還擴充了運行時間內的數據共享交換及實時協議應用的獨立性。利用擴充的OPC接口，可以協調和互聯不同現場總線組織的不同協議。以太網技術改進路線以太網全面進入工廠底層成為設備連接主要網絡技術，需要： (1) 改進物理層 A. 傳輸介質應包括多

36、種工業級護套和鎧裝電纜、光纖等. B. 各種防護等級工業級的接插件。 C. 應該具有總線供電及本質安全的解決方案, 用于流程控制及要求防爆功能的場合。(2) 如何滿足實時性和確定性要求? 提高帶寬、減少碰撞是最直接的辦法。以太網在CSMA/CD技術基礎上也有一些改進，如應用智能集線器、交換機技術等，但沒有從機理上保證通信的實時性和確定性。 進一步解決這個問題有軟件和硬件兩種思路；硬件方案是設計新型智能網絡交換設備，不走增加帶寬的老路；軟件解決是在一定帶寬資源基礎上，由軟件調度實現實時、確定性通信功能。 (3) 成本：以太網進入現場層，單站點成本是必需考慮的因素；與目前現場總線產品競爭。 以太網

37、能否取代現場總線技術成為統一的工業網絡標準 （1） 現場總線是專為工業現場層設備通信設計，是為自動化量體裁衣的技術。以太網設計初衷是辦公網，用于數據處理。從技術比較出發似乎很容易得出結論。但技術發展受社會政治、經濟影響，市場因素很大程度左右技術走向，回顧計算機發展歷史，這種先例不勝枚舉。因此，以太網在工廠自動化車間監控層及管理層將成為主要應用技術，特別是采用TCP/IP協議可與互連網Internet連接, 是未來eManufactory的技術基礎。在設備層，在沒有嚴格的時間要求條件下，以太網也可以有部分市場。在以太網能夠真正解決實時性和確定性問題之前，大部分現場層仍然會首選現場總線技術。 （2

38、） 一體化與多元化并存 面對這樣一個多種工業總線技術并存的現狀，我們應該有一個豁達的心態。哲學家告訴我們，一體化與多元化是一對互為依存的矛盾，將長時間共存與競爭；以太網反映了人們要求技術標準化、一體化的愿望，而現實是不能用一種技術覆蓋各行業所有不同需求。IEC61158的發展歷程就給了我們一個深刻的啟示，我們必須學會面對一個多種工業總線技術競爭和共存的現實世界。 附1. OPC技術介紹OPC是Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control的縮寫，是微軟公司的對象鏈接和嵌入技術在過程控制方面的應用。OPC以OLE/COM/DCOM技術為基

39、礎，采用客戶/服務器模式，標準定義了應用Microsoft操作系統在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數據的方法。采用這項標準后，硬件開發商為自己的硬件產品開發統一的OPC接口程序，而軟件開發者可免除開發驅動程序的工作，充分發揮自己的特長，把更多的精力投入到其核心產品的開發上。這樣不但可避免開發的重復性，也提高了系統的開放性和可互操作性。OPC規范是由OPC基金會制定的一個工業標準，它規范了過程控制和自動化軟件與工業現場設備之間的接口。 1 OPC技術的產生隨著工業生產的不斷發展，工業控制軟件取得了長足的進步。然而，由于生產規模的擴大和過程復雜程度的提高，工業控制軟件設計面臨著巨大的挑戰，那就

40、是要集成數量和種類不斷增多的現場信息。在傳統的控制系統中，智能設備之間及智能設備與控制系統軟件之間的信息共享是通過驅動程序來實現的，不同廠家的設備又使用不同的驅動程序，迫使工業控制軟件中包含了越來越多的底層通信模塊。另外，由于相對特定應用的驅動程序一般不支持硬件特點的變化，這樣使得工業控制軟硬件的升級和維護極其不便。還有，在同一時刻，兩個客戶應用一般不能對同一個設備進行數據讀寫，因為它們擁有不同的、相互獨立的驅動程序，同時對同一個設備進行操作，可能會引起存取沖突，甚至導致系統崩潰。OPC技術的出現則很好的解決了這些問題。Before OPCSoftwareDriverSoftwareDrive

41、rSoftwareDriverSoftwareDriverDisplayApplicationTrendApplicationReportApplicationWith OPCa standard information interchange based on Microsofts OLE, called OPC. Suppliers deliver an OPC Server for its control subsystem. The OPC client access the server for visualization, logging, SCADA, etc. DisplayA

42、pplicationTrendApplicationReportApplicationOPC clientOPC clientOPC clientSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverOPC serverOPC serverOPC serverOPC serverOPC as integration toolAn OPC server is also a convenient way to access raw and processed application data in a server. OPC data ca

43、n be easily read in any Microsoft Office applicationsource: Siemens WinCC2 OPC規范概述OPC是一個工業標準，包括一整套接口，屬性和方法的標準集，提供給用戶用于過程控制和工業自動化應。Microsoft的OLE/COM技術定義了各種不同的軟件部件如何交互使用和分享數據，從而使得OPC能夠提供通用的接口用于各種過程控制設備之間的通訊，不論過程中采用什么軟件和設備。其發展動態如 OPC標準表所列。 標準版本 內容Data Access3.0,2.0,1.0 數據訪問規范Alarms and Events1.10,1.00

44、報警和事件規范Historical Data Access 1.0 歷史數據存取規范Batch2.0,1.0 批量過程規范Security1.0安全性規范Compliance2.00.2數據訪問標準的測試工具OPC XML1.00,0.18 過程數據的XML規范OPC eXchange1.0數據交換規范OPC Commands正在開發 命令規范OPC Common I/O正在開發 公共I/O規范OPC Complex Data正在開發 復雜數據規范OPC技術的實現由兩部分組成，OPC服務器和OPC客戶應用部分。其應用模式如圖1所示。OPC服務器完成的工作就是收集現場設備的數據信息，然后通過標準

45、的OPC接口傳送給OPC客戶端應用。OPC客戶端則通過標準的OPC接口接收數據信息。在具體的實現過程中，用戶可以根據自己的需要挑選相應的規范來使用。其中數據訪問規范提供給用戶訪問實時過程數據的方法；報警和事件規范提供了一種由服務器程序將現場的事件或報警通知客戶程序的機制；歷史數據存取規范用來提供用戶得到存儲在過程數據存檔文件，數據庫或遠程終端設備中的歷史數據以及來分析這些歷史過程數據的方法。其他規范不在此一一介紹。 OPC hides the PLC detailsNetworkcontroller developmentOPCserverReactor_1Ovenanalog input t

46、o : IXD.11.2.1MW%1003MotorSpeedMW%1004Temperature.symbolsload symbol tableReadItem (OPC:Reactor1: Program2.MotorSpeed)Get (), MW%1003)Return (MW%1003, 112)Value: 112Reactor_1.Program2Program 2codeMarker: MW%1003OPC applicationOPC server(s) and client(s) in the same nodeOPC serverclient application(O

47、PC client)OPC serverOPC serverclient application(OPC client)clients and servers run as parallel processes。 the OPC specification defines the interface between client and server in the form of objects and methods.devicesdevicesdevicesdevicesnodeOPC client and server on the same node(local)OPC serverc

48、lient application(OPC client)fieldbus(local)OPC serverFB ManagerfieldbusPLCFB agentfieldbusPLCFB agentdirect connectionfieldbus connectioncan also be a point-to-point linkclient application(OPC client)proprietary protocolThe OPC server is runningall the time, as soon as atleast one client is present

49、I/O devicesclients and servers run as parallel processesAccessing another node by DCOMTCP/IPwrapperDCOMTCP/IPOPC serverDCOMTCP/IPOPCserverDCOMFB Manager fieldbusDCOMclient application(OPC client)Full-fledged OLE across multiple nodesOPC serverfor BrandYapplication 1(OPC client)Fieldbus YFieldbus Xdr

50、iversOPC serverfor BrandXOPC serverfor simulationpanelapplication 2(OPC client)The OPC servers supports multiple clients and servers on the same, or on remote nodes. they run as separate processes (as soon as at least one client is requesting them)OPC serverfor BrandZTCP/IPTCP/IPinput / output to pl

51、antEthernetapp3node 1connectivity nodeOPC technologyTransport(TCP-IP, UDP, Queued)ActiveX(Distributed) Component Object Model(COM / DCOM)Object Linking and Embedding (OLE)EthernetOLE for ProcessControl (OPC)OPC bases on Microsofts COM/DCOM technology (i.e. it only works on Windows platforms). Effort

52、 to port it to other platforms (Linux) and transport (XML) are in progress. Advantages are the direct integration into all applications, such as Excel. only betweennodesOPC server structureOPC/COM InterfacesOPC Group & Item ManagementItem Data Optimization and MonitoringDevice Specific Protocol Logi

53、cHardware Connection ManagementExample: ABB AC800 OPC ServerNote that variables are defined in the server, not in the PLC.AC800 OPCserverTCP/IPAIP(OPC client)MMSseparate processesMatrikonOPC clientControlBuilderconfiguration3采用OPC規范設計系統的益處 1）采用標準的Windows體系接口，制造商為設備提供一個接口程序，軟件制造商也僅需要開發一套通訊接口程序。2）OPC規

54、范以OLE/DCOM為技術基礎，支持TCP/IP等網絡協議，可將各個子系統分布于網絡的不同節點上。 3）OPC按照面向對象的原則，將一個應用程序（OPC服務器）作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統一的方式去調用這個方法，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從底層的開發中脫離出來。 4）OPC實現了遠程調用，使得應用程序的分布與系統硬件的分布無關，便于系統硬件配置，使系統的應用范圍更廣。 5）采用OPC規范，便于系統的組態，將系統復雜性大大簡化，可以大大縮短軟件開發周期，提高軟件運行的可靠性和穩定性，便于系統的升級與維護。 6）OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而實現系統的開放性，易于實現與其它系統的接口。4 OPC技術的應用由于OPC技術的采用，使工業控制可以結構簡單的、壽命長、更低價格。設備與系統連接也簡單、靈活、方便。OPC技術在工業控制領域主要應用領域如下：1）數據采集技術。現在眾多硬件廠商提供的產品均帶有標準的OPC接口，OPC實現了應用程序和工業控制設備之間高效、靈活的數據讀寫，可以編制符合標準OPC接口的客戶端應