帶你深入了解一下現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)

隨著傳統(tǒng)制造企業(yè)正在加快智能制造轉(zhuǎn)型的進(jìn)程，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迅速在全世界范圍內(nèi)興起。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架中，通過(guò)各類(lèi)通訊方式接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，來(lái)采集海量數(shù)據(jù)是其重要的一環(huán)。本文將介紹工業(yè)底層設(shè)備的兩種通訊方式：現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)。

認(rèn)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線

回顧現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展史可知，現(xiàn)場(chǎng)總線大致出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)80年代末到90年代初期，這個(gè)時(shí)期隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，工廠的設(shè)備有了互聯(lián)的需求（此階段的互聯(lián)需求主要定位于遠(yuǎn)程的I／O數(shù)據(jù)傳輸，以及產(chǎn)線內(nèi)部不同設(shè)備的數(shù)據(jù)交換），人們希望通過(guò)綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信息的操作控制。但是這個(gè)時(shí)候的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在系統(tǒng)封閉的缺陷，各個(gè)廠家的產(chǎn)品都是自成體系，不同廠商之間的設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，想實(shí)現(xiàn)更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限性，存在很多困難。

在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，涌現(xiàn)出了許多著名的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，例如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF、HAPT現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線、Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線、INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線、CC－Link現(xiàn)場(chǎng)總線等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線具有各自的特點(diǎn)，并形成了特定的應(yīng)用范圍。但是現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)實(shí)在是太多了，采用的通訊協(xié)議也完全不同，所以至今現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)也未能統(tǒng)一，最終形成了一個(gè)多種現(xiàn)場(chǎng)總線的IEC61158的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)上有挺多這方面的資料，在此不再展開(kāi)。

關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線我搜索了好多種版本的定義，但無(wú)論是百度百科，還是國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的現(xiàn)場(chǎng)總線定義，對(duì)于初學(xué)者依然是晦澀難懂。直到最近看到一種有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線的通俗解讀，才感覺(jué)豁然開(kāi)朗。拿來(lái)與大家分享：現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，它遵循ISO／OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。

初學(xué)者可以從兩方面來(lái)認(rèn)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線：第一，根據(jù)工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)（工廠管理級(jí)、車(chē)間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)），可知現(xiàn)場(chǎng)總線位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)底層，是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的好處，在于可以實(shí)現(xiàn)工廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動(dòng)化底層的數(shù)據(jù)存取。

典型的車(chē)間自動(dòng)化架構(gòu)

第二，現(xiàn)場(chǎng)總線是基于ISO／OSI的七層模型，并且可以少于七層。需要指出的是，實(shí)際應(yīng)用中，ISO模型只是一個(gè)參考，不同種類(lèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議棧有較大區(qū)別，通常會(huì)將ISO／OSI的七層模型簡(jiǎn)化，以實(shí)現(xiàn)更低的通信延遲、更快的速度、更有利于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)特性。

ISO／OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型

備注：開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型 （Open System Interconnect 簡(jiǎn)稱(chēng)OSI）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電報(bào)電話咨詢(xún)委員會(huì)（CCITT）聯(lián)合制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型，為開(kāi)放式互連信息系統(tǒng)提供了一種功能結(jié)構(gòu)的框架。它從低到高分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。

走進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)

鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)還是基于多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的妥協(xié)，而多標(biāo)準(zhǔn)某種意義上講，就是無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。人們開(kāi)始尋求新的工業(yè)通訊出路，這時(shí)候以太網(wǎng)技術(shù)映入人們的眼簾。以太網(wǎng)技術(shù)因其技術(shù)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在辦公和商務(wù)上的市場(chǎng)占有率非常高。一些廠商（例如施耐德提出了基于以太網(wǎng)＋TCP／IP的解決方案）提出了將以太網(wǎng)技術(shù)引入工廠設(shè)備底層，工業(yè)以太網(wǎng)也就隨之產(chǎn)生了。

但是以太網(wǎng)是計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中最常見(jiàn)的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，最初是為辦公自動(dòng)化的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并沒(méi)有考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求，例如高溫、低溫、防塵燈問(wèn)題，所以以太網(wǎng)不能直接用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。智庫(kù)百科認(rèn)為，工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及過(guò)程控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)組件及技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP／IP協(xié)議，和IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在應(yīng)用層會(huì)加入各自特有的協(xié)議。從定義角度而言，工業(yè)以太網(wǎng)也是現(xiàn)場(chǎng)總線中的一種，就如同現(xiàn)場(chǎng)總線的各種協(xié)議一樣。

正如以太網(wǎng)適合于信息管理、信息處理系統(tǒng)一樣，工業(yè)以太網(wǎng)在工廠管理、車(chē)間監(jiān)控等信息集成領(lǐng)域也應(yīng)用的很多。工業(yè)以太網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)在于：可以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使得企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一；以太網(wǎng)容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成，速度快，開(kāi)發(fā)技術(shù)廣泛，硬件升級(jí)范圍廣，價(jià)格低廉，容易獲得眾多廠商的支持。

工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

但是以太網(wǎng)是一種隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有通信不確定性的特點(diǎn)，這使得工業(yè)以太網(wǎng)一度被打上“難以勝任高速實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)通信”的標(biāo)簽。為此，世界上的各大公司紛紛轉(zhuǎn)向研究基于以太網(wǎng)的通信確定性和實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，并取得了一些成就。目前比較有影響力的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)有：西門(mén)子的PROFINET、倍福的EtherCAT、貝加萊的Powerlink、橫河Yokogawa的VNET／IP、東芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus－IDA、浙大中控的EPA等。

總得來(lái)講，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信經(jīng)歷了從現(xiàn)場(chǎng)總線到工業(yè)以太網(wǎng)，再到實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程。根據(jù)瑞典網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家HMS公司的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在2016年間，現(xiàn)場(chǎng)總線的安全節(jié)點(diǎn)數(shù)量占整個(gè)市場(chǎng)的48％，相比2015年的58％市場(chǎng)占比有較大的下降，而工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)占比則從38％上升為46％。行業(yè)分析人士稱(chēng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等戰(zhàn)略的發(fā)展推動(dòng)了越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，不過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信市場(chǎng)依舊呈現(xiàn)碎片化。