工业控制网络的发展

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1.以太网Ethernet 是LAN的一个产品

2.很多工业控制网络是广播式网络，仅有一条通信信道。--------总线型

3.互联网是一种点到点的网络，存在多种路径，如何选择最优路径特别重要。

4.工业控制系统的结构发展

最初CCS(计算机集中控制系统)—DCS(集散控制系统)—FCS(现场总线控制系统)(现在流行的)---新一代的工业以太网控制系统

5.FCS 实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行，数字式，多点通信网络，也被称之为现场底层设备控制网络。

    特点：实时性，可靠性，资料完整性和可用性

为了满足这些特点，现场总线对网络通信协议做了简化。各大公司都建立了自己的现场总线协议标准。IEC组织于1999年投票确定了8大国际现场总线标准，包括CAN bus, PROFIBUS, InterBus, ModBus 等。

FCS综合了数字通信技术，计算机技术，，自动控制技术，网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统点对点式的模拟数字通信系统的局限性，构成了一种全分散，全数字化，智能，双向，互联，多变量，多接点的通信与控制系统。FCS的典型结构分为设备层，控制层和信息层。

控制网络的基本发展趋势是趋向于开放性，用透明的通信协议。现场总线技术出现问题的根本原因在于现场总线的开放性是有条件的，不彻底的，现场总线种类繁多，且互补兼容。正因为如此，工业以太网得以发展。

6. 以太网特点：

传输速度快，功耗低，易于安装和兼容性好，并且支持所有流行的网络协议，广泛应用于商业中。

实时性：传统以太网采用—冲突检测载波监听多路接入(CSMA/CD)介质访问控制协议，对相应时间要求严格的控制过程会产生冲突。近年来出现了-----快速交换式以太网，采用全双工通信，可以完全避免这个缺点。

透明的TCP/IP

应用TCP/IP的以太网已成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络。使得工厂的管理可以深入到控制现场，是企业内网延伸到现场设备的基础。可以通过互联网实现工业生产过程的远程监控，系统远程调试和设备故障检测。具有TCP/IP接口的设备，可以无需通过计算机直接连接互联网，实现远程监控或者远程维修功能。

资源共享

以太网架构无论是硬件还是软件斗鱼市场主流想通，很容易达到资源共享，降低成本。

7.  工业以太网是未来的发展趋势，但是目前存在很多的问题需要解决，并非每种现场总线都会被以太网替代，最有可能发展成为一种混合式的控制系统。现场总线与工控以太网互为补充，长期共存。

    工业以太网指在以太网和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种工业网络/也可称之为现场总线，速率可达到10Gbits/s，（2002年公布的）

    工业以太网的协议有多种，目前比较有影响的有基金会现场总线高速以太网(FFHSE), Ethernet/IP, PROFINET, MODBUS/FCP（光纤频道协议），分布式自动化Ethernet等，本质上基于以太网技术(IEEE802.3标准)。

8.工业企业网和工业控制网络

  工业控制网络是工业企业网的一个重要组成部分，属于工业企业网的中下层。企业信息网属于工业企业网的上层。

9.现场总线

   是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向串行数字通信协议。也就是现场总线是控制系统中低层的通信网络，具有双向数字传输功能，控制系统中允许只能现场装置全数字化，多变量，双向，多节点，并通过一条物理媒体互交换信息。

     现场总线的结构遵循国际标准化组织的（ISO）开放的系统互联OSI模型。

     可采用简单连接的双绞线，同轴电缆，光前，射频，红外线，电力线等作为总线，按照公开，规范的通信协议在位于现场的多个微处理机设备之间，现场仪表以及监控计算机之间进行通信。

     现场总线系统采用智能现场设备，将原先处于控制室的控制模块，各输入输出模块置入现场设备，加行现场设备的通信能力，使得控制系统的功能能够不依赖于控制室计算机和控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。

     现场总线系统由控制系统，测量系统，管理系统三部分组成。传输速率要求在几kbit/s~10Mbits/s。

     智能设备即一台单独的现场设备具有自动控制的基本功能，可以随时诊断自己的运行状况，实时实现功能自治。

下面介绍3种典型的现场总线

9. PROFIBUS现场总线

   由三部分PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS组成。分别应用于不同的通信模块。

  PROFIBUS-DP: 用于实现与分布式I/O进行高速通信

  PROFIBUS-PA：用于执行规定现场设备特性的PA，可提供总线供电。

   PROFIBUS-FMS：设备用于现场通用通信任务的FMS接口，主主通信，基本已经被工业以太网取代了其功能。

  PROFIBUS网络协议

包括DP,PA,FMS,FDL,S7等多种。

I/O接口模块ET200 是PROFIBUS 网络系统应用最广泛的从站系统。

10. FF总线------WorldFIP协议

FF采用国际标准的OSI模型，主要包括三部分：物理层，数据链路层（通信栈），应用层。以及未定义的用户层，供用户自己定义开发。

数据服务模型

    客户/服务器，发布/接收，报告分发器。

11. LonWorks-----LonTalk协议（开放式通信协议）

      LonTalk协议最大的特点是对OSI的7层协议的支持，是直接面向对象的网络协议。

     LonTalk协议被埃施朗公司固化在了神经元芯片中。LonTalk技术中所有关于网络的操作时机上都是通过它来完成。

     主要的优点：

     拥有三个处理单元的神经元芯片，一个用于链路层的控制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，还包含11个I/O接口，这样，在一个神经元芯片上就能完成网络通信和控制的功能。

     支持多种通信介质和他们的互联。

     网络变量由于每一个神经元芯片在出厂时都已经固化炉一个48位的全球唯一的ID号码，网络通信采用面向对象的方法设计。

     提供给用户一个完整的开发平台，包括现场调试设备，协议分析，网络开发语言NeuronC等

     技术参数

         通信每帧有效字节数可以为0~228B，速度可达1.25Mbits/s，有效距离130m.测控网络节点可达32000个。直接通信距离可达2700m。

     LonWork目前应用在楼宇自动化领域较为成熟，也涉及到了工业，通信和交通等方面。

12. 自动化技术从单片机控制发展到工厂自动化FA，发展到系统自动化

13. 工业以太网的传输介质

TP,ITP，光纤同轴电缆。常用的链接方式为ITP加ELM（电气连接模块）。

工业以太网遇到的问题：

   工业以太网采用了CMSA/CD载波监听/冲突检测的控制协议，使其数据传输的实时性不能得到保证，有很大的局限性。

PROFIBUS 采用令牌总线的控制协议，其令牌循环的时间固定能保证一定的实时性。当网络中节点较多是网络带宽受到限制。

  由于以上原因，基于PROFIBUS和工业以太网之上的PROFINET, HSE, Ethernet/IP, Modbus TCP, EPA 等有影响力的工业以太网标准。

14. 工业以太网---实时性可以与总线相媲美

目前有两者主要的发展方向：

1． 直接采用不同以太网技术，实现E网到底，使控制网络无需经过网关转换可直接连接至互联网，是测控节点有条件成为互联网上的一员。

2． 对于时间，环境，同步性能等有严格要求，需开发出实时性的工业以太网技术。

工业以太网的最终实现是，控制网络中的每一台设备将成为以太网中的一员。

实时以太网机制：

 数据通信有标准通道和实时通道之分。其中标准通道按不同以太网平等竞争的方式传输数据帧，主要用于输出没有实时性要求的非实时数据。有实时性要求的数据则通过实时通道传输。

实时机制分为硬件和软件两种方案：

 硬件实时机制需要有特殊的实时以太网通信控制器的支持，例如PROFINET, EtherCAT, Ethernet powerLink 等的通信参考模型在物理层和数据链路层就已经有别于传统的普通以太网。

 软件实时机制在底层沿用普通以太网通信控制器的支持，借助上层调度软件实现实时功能，例如EtherNet/IP， Modbus-RTPS 等采用了特殊的应用层协议实现实时的功能。

介质访问控制：RT-CSMA/CD和确定性分时调度

实时以太网需要满足两方面的需求：

1.    实时性通信需求

2.    一定程度上兼容普通以太网的介质访问控制方式，实现有实时和没实时性的通信节点可以共存同一网络。

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