什么推動了工業(yè)總線向以太網的演進

過去的幾十年，以太網技術一直在各個領域改變著行業(yè)的游戲規(guī)則，從早期的局域網，到后來的寬帶網絡，再到如今的互聯(lián)網。而現(xiàn)在，以太網技術的關鍵組件正在被用于工業(yè)控制現(xiàn)場總線，推動著整個制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的演變和進化。

事實上，多年以來，傳統(tǒng)的以太網技術和 TCP/IP 協(xié)議早就已經在制造業(yè)領域被廣泛應用于企業(yè)和車間的網絡信息系統(tǒng)和生產運營的管理系統(tǒng)中了，但卻極少被用于實際機器設備和產線內部控制數(shù)據(jù)和信息的交互和通訊。

機器控制器本身（如 PLC、IPC...等）及其與執(zhí)行機構（如驅動器、電機...）和傳感器之間的通信，總是需要使用確定性的現(xiàn)場控制總線。而使用傳統(tǒng)的 TCP/IP 協(xié)議，是無法實現(xiàn)和滿足從機器控制到傳感器和執(zhí)行器通訊的實時確定性要求的，因此它并不適用于作為工業(yè)設備的控制層總線。

然而，在設備制造行業(yè)，機器制造商們（例如那些制造數(shù)控機床、半導體設備...的企業(yè)）卻看到了重復使用基于 TCP/IP 網絡設置的硬件組件的價值。因為，互聯(lián)網的爆炸性增長，為以太網通訊組件（如：通訊卡、電纜、接插件...）創(chuàng)造了一個廣泛通用的技術標準，使得這些網絡接口卡（NIC）和 TCP 電纜的成本大大降低，僅僅是傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線電纜和數(shù)據(jù)采集卡（DAQ 卡）的幾分之一甚至幾十分之一。因此，與工業(yè)領域傳統(tǒng)的專用現(xiàn)場總線的配置相比，重復使用此類以太網硬件將可以幫助企業(yè)節(jié)省大量經濟成本。

采用以太網作為現(xiàn)場總線的經濟效應是毋庸置疑的，因為以太網組件能夠幫助帶來顯著的系統(tǒng)成本的降低，同時又具有很好的通用性。

例如，如果采用專有的現(xiàn)場總線，機器人制造商必須從單個供應商處購買整套運控系統(tǒng)組件：專用的 I/O 卡件，伺服驅動器、電機，和昂貴的線纜、接插件...等等。

而使用基于以太網的標準通訊協(xié)議，I/O 卡件可以使用通用的以太網接口替代，專用的總線通訊電纜可以由通用的 CAT5 （5 類雙絞線）電纜替代，而如果網絡標準能夠支持多個供應商，伺服驅動系統(tǒng)的成本也將顯著降低。

與此同時，使用以太網連接設備系統(tǒng)組件也將變得更加簡單。例如，相比在設備控制器以及電氣元件上使用復雜的專用總線通訊電纜，采用類似家用 / 辦公電腦在聯(lián)網時使用的通用 CAT5 電纜將更加易于設備的管理和維護。 而這些僅僅是以太網技術帶來的經濟效益中的一部分。

業(yè)界很快意識到，盡管 TCP/UDP/IP 協(xié)議無法提供工業(yè)控制系統(tǒng)所要求的實時確定性響應，但是，無處不在且低成本的以太網硬件，包括：網絡接口卡（NIC）和 CAT5 以太網電纜...等，卻可以被應用于為工業(yè)設備系統(tǒng)中，幫助提供控制應用所需的實時響應。

而我們所需要的，只不過是一種新的實時通訊協(xié)議，它能夠使用以太網的硬件物理層，但同時也可以讓設備控制器與設備中所有傳感器和執(zhí)行器的連接和通訊做到具備實時確定性。

自本世紀初以來，各大知名的工業(yè)自動化廠商已經相繼推出了至少不下五種不同的實時工業(yè)以太網通訊協(xié)議，例如：EtherNet/IP、EtherCAT、PowerLink、ProfiNet 和 SERCOS III ... 等等。它們都被作為“標準”進行推廣，號稱可以重用以太網協(xié)議或以太網硬件，并且都承諾能夠降低設備實時控制系統(tǒng)的構建成本。

而之所以會有如此多的“潛在標準”的出現(xiàn)，一個很主要原因，就是因為各家都有著明顯不同的技術方法可以做到重復使用以太網硬件組件（如：網絡接口卡和 CAT5 電纜），不僅大幅降低設備成本并提高機器的性能，同時使信息數(shù)據(jù)的傳輸和交互方式能夠支持實時確定性的應用程序。

多個潛在的“標準”以太網協(xié)議的同時存在，或許還有另外一個原因，就是這些領先的工業(yè)自動化廠商正在試圖利用以太網技術節(jié)約其系統(tǒng)方案的總體成本。通過將自己的產品“標準”擴展延伸到以太網，客戶的確可以從以太網技術中獲得一定的優(yōu)勢和價值，但從長期來看，他們卻仍然被牢牢的鎖定在廠家的專有網絡中。

另外，新協(xié)議的出現(xiàn)，的確能夠幫助用戶利用以太網技術突破設備現(xiàn)有的性能和成本。同時，與任何其他傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線相比，采用正確的實時以太網現(xiàn)場總線標準的機器制造商，也將能夠在性價比方面獲得非常明顯的競爭優(yōu)勢。

然而，這些對機器制造商和設備用戶們來說，或許已經不那么重要了，因為經過這些年工業(yè)以太網技術和產品的推廣和普及，用戶們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)已經不再是在傳統(tǒng)工業(yè)控制總線和工業(yè)以太網之間的選擇，而是在復雜且擁擠的市場中，面對太多的工業(yè)以太網協(xié)議“標準”之間激烈的競爭和它們各自體現(xiàn)出的不同的價值和優(yōu)勢，很難知道應該選擇哪個“標準”才是正確的。如果采用錯誤（不恰當）的協(xié)議作為標準，就可能意味著不必要的成本消耗，并且由于性能的降低而犧牲競爭優(yōu)勢。

而在關于工業(yè)實時以太網的各種討論中，有些看似非常樸素的事實卻經常會被人們忽略。網絡協(xié)議標準的選擇，其實不僅僅在于技術方面的硬性規(guī)格和屬性，如性能和傳輸速率...等；還應該包括一些應用體驗方面的軟性指標和參數(shù)，如：易用性，開放性，獨立性，風險規(guī)避，一致性，互通性，長期可用性和系統(tǒng)分布特性...等等，這些因素綜合在一起，將決定協(xié)議和“標準”能否被用戶認可或在市場中普及。

在后面的節(jié)目中，我們將和大家一起探討當下各種實時工業(yè)以太網協(xié)議的一些主要特征，以及其作為實時以太網的現(xiàn)場總線，為設備系統(tǒng)的集成和應用可能帶來的效果和影響。