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福建西門子總代理商                     福建西門子總代理商

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一、現(xiàn)場總線技術(shù)的興起和市場動(dòng)力

    七十年代,微處理器技術(shù)的進(jìn)步以及“集中管理、分散控制”的風(fēng)險(xiǎn)控制策略促成了基于微處理器芯片的集散控制系統(tǒng)開始進(jìn)入市場,同時(shí)也將用于控制器之間和控制器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊的計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。但此時(shí)由于各自動(dòng)化廠商的控制系統(tǒng)自成一體,網(wǎng)絡(luò)通訊只是其系統(tǒng)的內(nèi)部功能之一,無需與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。八十年代以后,隨著微處理器芯片應(yīng)用的不斷滲透,“智能化”的傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等工業(yè)現(xiàn)場控制器件不斷涌現(xiàn)，但各廠商根據(jù)所生產(chǎn)的元器件的特點(diǎn)而開發(fā)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議也是五花八門、種類繁多,單個(gè)的元器件似乎充滿了“智能”,但與控制系統(tǒng)集成時(shí)仍然只能沿用傳統(tǒng)的電纜接線一對一接入I/O接口板,并不能真正體現(xiàn)其“智能化”的優(yōu)點(diǎn)。因此要將這些眾多不同廠商的“智能化”現(xiàn)場控制元器件集成為一個(gè)*數(shù)字化的集散控制系統(tǒng),公共開放的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就顯得非常必要。在這一市場動(dòng)力的推動(dòng)下,各控制系統(tǒng)（包括PLC和DCS）的生產(chǎn)廠商基于其原先內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)紛紛提出了各種各樣開放程度不同的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),并隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷補(bǔ)充和完善。

二、現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀

    從上世紀(jì)八十年代開始,美國儀表協(xié)會(huì)（ISA）和電工委員會(huì)（IEC）即已設(shè)立專門的機(jī)構(gòu)來研究和提出現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而由于種種原因,經(jīng)過長達(dá)十多年的努力,終于在2000年頒布的標(biāo)準(zhǔn)IEC61158卻是一份讓所有自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)人員感到困惑和尷尬的標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樗朔N互不兼容的總線協(xié)議。隨著IT技術(shù)不斷向工業(yè)領(lǐng)域滲透,以太網(wǎng)（Ethernet）作為新的現(xiàn)場總線技術(shù)讓很多人充滿了期望，但2003年第三版的lEC61158標(biāo)準(zhǔn)的頒布,在新版本中增加了三種基于以太網(wǎng)技術(shù)的新協(xié)議,將總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)增加到十一種,同時(shí)還有更多的基于以太網(wǎng)技術(shù)的新協(xié)議正積極努力加入到標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議集內(nèi)。

三、現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的分析思考

    分析用戶的需求，我們大致可以將用戶對現(xiàn)場總線的技術(shù)要求和期望分為以下三個(gè)層次:
    1） 智能元器件與控制器（站）之間的互連互通,主要目的是替代傳統(tǒng)的I/O電纜。其要求是能傳送傳統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù),并附加傳送一些智能元件*的告警和故障診斷信息。
    2） 在傳送以上實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ),用戶進(jìn)一步的要求是希望通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行集中的工程設(shè)計(jì)組態(tài)、程序動(dòng)態(tài)修改下載以及元器件的遠(yuǎn)程診斷和校準(zhǔn)等。
    3） 在互連互通的基礎(chǔ)上,用戶希望能夠在各種情況下“重構(gòu)”系統(tǒng),如在元器件損壞更換、系統(tǒng)改擴(kuò)建以及系統(tǒng)升級(jí)或部分升級(jí)等情況下,要求能夠無障礙地接入第三方的元件或新技術(shù)條件下的升級(jí)產(chǎn)品。
    從以上用戶的需求上可以看出,用戶是希望通過現(xiàn)場總線技術(shù),利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的手段實(shí)現(xiàn)各種智能元器件與控制器（站）之間的“互連”、“互通”、“互換”,但并沒有要求說所有這些功的必須在一個(gè)“單一”的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。正如在Internet網(wǎng)絡(luò)上用戶希望實(shí)現(xiàn)電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)上游戲等服務(wù),但這并沒有要求Internet網(wǎng)絡(luò)必須是一個(gè)“單一”的“同構(gòu)”網(wǎng)絡(luò)。 
    從通訊協(xié)議的構(gòu)筑模型上看,目前幾乎所有的通訊協(xié)議一般來說都是參照OSI的七層模型,但絕大多數(shù)協(xié)議都是從物理層開始“自底向上”自成一體地構(gòu)筑一個(gè)“垂直一體化”的協(xié)議棧,使得八種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間在任何層次上都很難“互連”、“互通”,更談不上“互換”功能。事實(shí)上制定OSI分層模型的目的是讓涵蓋不同技術(shù)元素不同發(fā)展變化速度的通訊實(shí)體分為相互獨(dú)立的層次,以使各層次既能夠相互結(jié)合成為一個(gè)端對端完整的協(xié)議棧,又能夠相互獨(dú)立發(fā)展而不互相制約。比如在我們熟悉的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇中,因特網(wǎng)之所以能夠如此成功,就是以TCP/IP協(xié)議棧為核心,對上可以服務(wù)眾多不同的應(yīng)用層協(xié)議（WWW、FTP、電子郵件等）,向下則可在眾多不同的局域網(wǎng)（Ethernet、FDDI等）、廣域網(wǎng)（撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、X.25等）平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
    從某種意義上來說,現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程出現(xiàn)目前困境的原因很大程度上可能是當(dāng)初一開始就將“單一的垂直一體化的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”這一過于“理想”的期望設(shè)定為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo),結(jié)果不但不能達(dá)到目的,反而適得其反,出現(xiàn)了“群雄紛爭,互不兼容”的局面。

四、CIP協(xié)議架構(gòu)的啟發(fā)

    CIP協(xié)議規(guī)范是疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種*不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)之上的“與網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)無關(guān)”的公共的“網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層、用戶層”協(xié)議規(guī)范,也就是說它可以實(shí)現(xiàn)“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”下的系統(tǒng)的“互連”、“互通”,直至“互換”功能。按照OSI七層通訊模型,CIP協(xié)議架構(gòu)下的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如。

    由以上示意圖可以看到,與其它現(xiàn)場總線技術(shù)通訊協(xié)議一個(gè)很大的不同就是有一個(gè)具有“網(wǎng)絡(luò)傳輸層”功能的“CIP Messaging”協(xié)議規(guī)范。其中核心的部分就是將應(yīng)用對象之間通訊關(guān)系抽象為“連接（Connection）”,并與之相應(yīng)制定了應(yīng)用對象的邏輯地址規(guī)范,從而使CIP協(xié)議可以不依賴于某一具體的網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù),而是用邏輯對象地址來定義“連接（Connection）”關(guān)系。

并將某一種具體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)抽象為與網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)的“物理鏈路對象（Link Object）”,這樣使得CIP協(xié)議在不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)上具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需要的接口就是與該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相對應(yīng)的“物理鏈路對象（Link Object）”,如“DeviceNet Link Object”、“ControlNet Link Object”和“Ethernet Link Object”等等,而其上層的協(xié)議都可不受影響并保持*,這也就為在跨平臺(tái)的“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“互連”、“互通”,直至“互換”功能奠定了基礎(chǔ)。

工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比普通環(huán)境都要惡劣，至少在震動(dòng)，濕氣，溫度上都要比普通環(huán)境惡劣，工業(yè)以太網(wǎng)需要更多專業(yè)的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如果你正在安裝或者使用一種工業(yè)以太網(wǎng)（工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)），那么關(guān)于布線、信號(hào)質(zhì)量、接地回路、交換機(jī)和通訊這五點(diǎn)內(nèi)容必須要了解否則容易出現(xiàn)故障，更使維護(hù)成本上升。

　　1、布線問題

　　和所有網(wǎng)絡(luò)一樣，電纜的優(yōu)劣直接影響工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)劣。而且除了高電磁干擾（EMI），工業(yè)環(huán)境中還經(jīng)常有某種等級(jí)的溫度、粉塵、濕度以及其他在家庭和辦公環(huán)境中不常見的影響因素。

　　所以，如何選擇電纜？在辦公室內(nèi)，商業(yè)等級(jí)的電纜，例如5類電纜，比較適合于10MB的網(wǎng)絡(luò)，而5e類電纜適合于100MB網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)ANSI/TIA-1005標(biāo)準(zhǔn)所述，6類電纜或者更好的電纜可以用于工業(yè)環(huán)境中的主機(jī)或者設(shè)備連接。

　　6類電纜能夠在100米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1GB網(wǎng)絡(luò)，55米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10GB網(wǎng)絡(luò)。6e類電纜可以在100米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10GB網(wǎng)絡(luò)。

　　相比于5類電纜和5e類電纜，6類電纜不易受串?dāng)_和外部EMI噪聲影響。工業(yè)以太網(wǎng)電纜的設(shè)計(jì)能夠抵御更加嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境對電纜的物理侵蝕。在安裝6類電纜時(shí)，確保RJ45接口和插座也能夠達(dá)到6類等級(jí)。使用方法是，短距離布線時(shí)，使用預(yù)先做好的接插電纜，并在工廠內(nèi)安裝連接器。長距離布線時(shí)使用插座。

　　2、電纜、屏蔽、接地回路

　　一些應(yīng)用場合需要做屏蔽，但是如果屏蔽電纜安裝不當(dāng)，那么會(huì)適得其反。

　　當(dāng)超出保護(hù)套管時(shí)，屏蔽以太網(wǎng)電纜在EMI環(huán)境中的性能更好。良好的接地是使用屏蔽電纜的關(guān)鍵。一個(gè)接地參考點(diǎn)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。多個(gè)接地連接會(huì)形成接地回路，不同接地連接處電勢的不同會(huì)在電纜中引入噪聲。

　　接地回路會(huì)給你的網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的破壞，為了解決這個(gè)問題，只在電纜的一端使用接地RJ45接口，另一端使用絕緣的RJ45接口以消除接地回路的可能性。

　　如果以太網(wǎng)電纜與電源電纜交叉布線，那么交叉角度頗有講究。將并列的以太網(wǎng)電纜和電源電纜相隔至少8到12英寸，如果電壓較高或者并列距離較長，那么這個(gè)間隔距離應(yīng)該更大。如果以太網(wǎng)電纜在金屬溝槽或者套管內(nèi)走線，那么相鄰的溝槽或者套管必須連接在一起以實(shí)現(xiàn)電氣連續(xù)性。

　　大體來講，以太網(wǎng)電纜盡量遠(yuǎn)離能夠產(chǎn)生EMI的設(shè)備，例如電機(jī)、電機(jī)控制設(shè)備、照明設(shè)備、帶電導(dǎo)體等。在面板上，以太網(wǎng)電纜與連接器間隔至少2英寸。當(dāng)電纜遠(yuǎn)離EMI干擾源時(shí)，遵循*的電纜彎曲半徑。

　　3、交換機(jī)VS集線器

　　簡單地說，工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境中不要使用集線器。集線器只不過是一個(gè)多端口的中繼器。如果集線器被排除在外的話，剩下的選擇就只有管理型交換機(jī)和非管理型交換機(jī)了。管理型的交換機(jī)更好，當(dāng)然它的價(jià)格也比非管理型的交換機(jī)要貴。

　　網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)設(shè)備都有一個(gè)的標(biāo)識(shí)符，就是我們所說的MAC地址，這是交換機(jī)比集線器具有更優(yōu)秀的識(shí)別能力的關(guān)鍵。

　　當(dāng)交換機(jī)剛剛上電的時(shí)候，它初的表現(xiàn)和集線器沒有區(qū)別，將所有的通訊內(nèi)容都廣播出去，但隨著網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備將信息在交換機(jī)的不同端口上傳輸，交換機(jī)開始監(jiān)控通訊內(nèi)容，識(shí)別出哪一個(gè)MAC地址與哪一個(gè)端口相關(guān)，然后在MAC地址表中做出標(biāo)識(shí)。一旦交換機(jī)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的MAC地址與某個(gè)特定的端口相連接，它就會(huì)監(jiān)控指向那個(gè)MAC地址的信息，然后將這些信息僅僅發(fā)送給那個(gè)特定的地址。

　　工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有三種通訊類型。點(diǎn)對點(diǎn)的單播通訊、一對多的組播通訊和一點(diǎn)到所有節(jié)點(diǎn)的廣播通訊。

　　當(dāng)交換機(jī)的MAC地址表建立完成之后，管理型交換機(jī)和非管理型交換機(jī)對單播通訊和廣播通訊的處理方式?jīng)]有什么不同。一般來說，在100MB的帶寬下，將廣播頻度控制在每秒鐘100個(gè)廣播。對于任何網(wǎng)絡(luò)來說，都會(huì)或多或少地存在廣播通訊。一個(gè)例子就是打印服務(wù)器會(huì)周期性地在網(wǎng)絡(luò)上給出廣播通知。

　　4、窺探：不僅僅是監(jiān)聽

　　管理型交換機(jī)和非管理型交換機(jī)的一個(gè)主要的區(qū)別就在于它們對待組播通訊的處理方式。組播通訊通常來自于搭載在工廠過程網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備，采用面向連接的基于生產(chǎn)廠商/用戶模型的技術(shù)。這種情況下的連接僅僅是網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。

　　要想能夠接收組內(nèi)信息，設(shè)備必須加入組播通訊小組，組內(nèi)所有的成員都能夠接收到數(shù)據(jù)。如果僅僅是向小組發(fā)送數(shù)據(jù)，那么你無需成為小組成員。在生產(chǎn)廠商/用戶模型中，組播通訊的主要問題就是隨著小組成員數(shù)量的增加，通訊信息呈指數(shù)地增長。此時(shí)，就需要使用管理型的交換機(jī)了。

　　管理型交換機(jī)能夠打開互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）窺探功能。它是這樣工作的，當(dāng)IGMP窺探功能打開后，它會(huì)發(fā)出廣播通訊以判斷任何組播小組內(nèi)的成員。使用這些信息，加上已經(jīng)建好的MAC地址表，管理型交換機(jī)就能夠?qū)⒔M播通訊僅僅發(fā)送給組播小組內(nèi)的成員。非管理型的交換機(jī)對組播數(shù)據(jù)和廣播數(shù)據(jù)的處理方式一樣，都是將數(shù)據(jù)發(fā)送給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　如果網(wǎng)絡(luò)使用了生產(chǎn)廠商/用戶技術(shù)或者使用了組播通訊，那么管理型交換機(jī)是物有所值的*。

　　5、鏡像端口、故障排查

　　考慮使用管理型交換機(jī)還有很多其他原因，這種等級(jí)的交換機(jī)通常都提供故障日志功能，能夠控制每個(gè)端口的速度，具有冗余設(shè)置以及端口鏡像功能。這些額外能力能夠保證對網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行更加精確的控制，而且在故障排查的時(shí)候能起到非常寶貴的作用。我們知道，對于網(wǎng)絡(luò)上的某些節(jié)點(diǎn)，故障是無法避免的。

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能出現(xiàn)問題時(shí)，首先就要檢查交換機(jī)，雖然對于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)性能問題來說，交換機(jī)很少是問題的核心。交換機(jī)是系統(tǒng)中可能發(fā)生問題的節(jié)點(diǎn)，它的工作速率通常是其他網(wǎng)絡(luò)部件工作速率的10到50倍。

　　雖然總有一種很好的軟件能夠幫助你對網(wǎng)絡(luò)故障問題進(jìn)行排查，但是大多數(shù)這種軟件僅僅能看到廣播通訊和組播通訊。這實(shí)際上很合理，因?yàn)楹芏嘈阅軉栴}通常都源自不受限的組播通訊或者過多的廣播通訊。如果你出于某種原因需要檢查單播通訊，那么端口鏡像是的途徑。

　　如果網(wǎng)絡(luò)上沒有組播通訊的話，那么使用非管理型的交換機(jī)也沒什么問題。在只搭載了很少設(shè)備的小型簡單網(wǎng)絡(luò)上，很多人使用非管理型的交換機(jī)。

　　有時(shí)候也可以將這兩種類型的交換機(jī)結(jié)合使用，將一些遠(yuǎn)程設(shè)備搭載在非管理型的交換機(jī)上，統(tǒng)一向管理型的交換機(jī)反饋。

　　對于那些節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多的網(wǎng)絡(luò)，如果成本不是一個(gè)關(guān)鍵因素，那么還是選擇管理型的交換機(jī)吧，事后想來這確實(shí)是一個(gè)明智的選擇。