在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場總線的替代

近幾年，隨著智能制造戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，中國制造企業(yè)開始重視對底層工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造與升級，由此引發(fā)了是否有必要采用工業(yè)以太網(wǎng)替代現(xiàn)場總線技術(shù)的問題討論。目前較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著智能工廠的應(yīng)用實(shí)踐的深入以及IT與OT的逐漸融合，打通上層業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)與下層生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互是大勢所趨，這種內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)力正在推動(dòng)控制層和管理層構(gòu)建統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，使得工業(yè)以太網(wǎng)正在成為現(xiàn)場總線技術(shù)的重要替代者。

IT與OT融合推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)快速發(fā)展

工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)和通用工業(yè)協(xié)議的結(jié)合，是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用延伸。近年來，為滿足高實(shí)時(shí)性的工業(yè)應(yīng)用需求，各大工業(yè)自動(dòng)化公司和標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛提出了各種工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些方案建立在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，通過對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展以提高實(shí)時(shí)性，并做到與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的無縫對接。

目前，被廣泛應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下6個(gè)類型：

（1） MODBUS TCP/IP

施耐德電氣將以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的協(xié)同自動(dòng)化解決方案作為發(fā)展戰(zhàn)略。MODBUS的系統(tǒng)可以很容易地升級到MODBUS TCP/IP 。而用戶并不需要對原有系統(tǒng)重新投資。在使

用MOD BUS 的串行連接方式， 如RS485 的情況下， 可以提供相應(yīng)的產(chǎn)品， 非常容易地從現(xiàn)有的MODBUS 系統(tǒng)更新或升級到MODBUS TCP/IP 上。如果是使用了其他的網(wǎng)絡(luò)， 也可以應(yīng)用相應(yīng)的gateway（ 網(wǎng)關(guān)） 使其集成或升級到以太網(wǎng)系統(tǒng)里。

（2） Ethernet/IP

Ethernet/IP是一個(gè)面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議，是主推ControlNet 現(xiàn)場總線的羅克韋爾自動(dòng)化公司為以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域所研究創(chuàng)造的以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議。它建立在標(biāo)準(zhǔn)UDP/IP與TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備定義了一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。Ethernet/IP協(xié)議由IEEE 802.3物理層、數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和控制與信息協(xié)議CIP等3個(gè)部分組成。

（3） Ethernet POWERLINK

Ethernet POWERLINK 是一項(xiàng)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)上解決工業(yè)控制及數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的技術(shù)。EthernetPOWERLINK 擁有Ethernet的高速、開放性接口，以及CANopen在工業(yè)領(lǐng)域良好的SDO 和PDO 數(shù)據(jù)定義，在某種意義上說POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層使用了Ethernet介質(zhì)，而應(yīng)用層則保留了原有的SDO 和PDO對象字典的結(jié)構(gòu)。

（4） PROFInet

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFINET囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并作為跨供應(yīng)商的技術(shù)完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有投資。

（5） SERCOS III

Sercos（ Serial Real Time Communication System，串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)）已在工廠自動(dòng)化應(yīng)用（適合機(jī)械工程和建筑）領(lǐng)域風(fēng)靡了25年。Sercos III是第三代協(xié)議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協(xié)議可將Sercos接口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換與以太網(wǎng)相融合。SERCO S III是SERCOS成熟的通信機(jī)制和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物，它既具有 SERCOS的實(shí)時(shí)特性，又具有以太網(wǎng)的特性。

（6） EtherCAT

EtherCAT最初由德國倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點(diǎn)還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議（SIL3）。

根據(jù)從站設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式，可將工業(yè)以太網(wǎng)分為三個(gè)類型：

第一類：采用通用硬件和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議。Modbus/TCP、PROFInet/CbA、Ethernet/IP均采用這種方式。使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議和通用以太網(wǎng)控制器，所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如過程數(shù)據(jù)）和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如參數(shù)配置數(shù)據(jù)）均通過TCP/IP協(xié)議傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉， 實(shí)現(xiàn)方便，完全兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。在具體實(shí)現(xiàn)中某些產(chǎn)品可能通過更改或優(yōu)化TCP/IP 協(xié)議以獲得更好的性能，但實(shí)時(shí)性始終受到底層結(jié)構(gòu)的限制。

第二類：采用通用硬件和定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。Ethernet Powerlink、PROFInet/RT采用這種方式。采用通用以太網(wǎng)控制器但不使用TCP/IP 協(xié)議來傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而是定義了一種專用的包含實(shí)時(shí)層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用來傳輸對實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)，TCP/IP 協(xié)議棧可能依然存在，用來傳輸非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但是其對以太網(wǎng)的讀取受到實(shí)時(shí)層的限制，以提高實(shí)時(shí)性能。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，硬件與通用以太網(wǎng)兼容。

第三類：采用專用硬件和自定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。EtherCAT、PROFInet/IRT、SERCOS-III采用這種方式。這種方式在第二類的基礎(chǔ)上使用專有以太網(wǎng)控制器以進(jìn)一步優(yōu)化性能。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是成本較高，需使用專有協(xié)議芯片、交換機(jī)等。

工業(yè)以太網(wǎng)替代現(xiàn)場總線的驅(qū)動(dòng)力

隨著智能工廠的推進(jìn)與實(shí)施，企業(yè)對構(gòu)建統(tǒng)一的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)有著十分迫切的應(yīng)用需求。但由于目前工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)種類繁多且互不兼容， 不同標(biāo)準(zhǔn)的控制器之間不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸， 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的不一致使得自動(dòng)化信息孤島廣泛存在，這對企業(yè)構(gòu)建互聯(lián)互通、虛實(shí)融合的智能工廠造成了不可逾越的障礙。同時(shí)這成為推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)替代現(xiàn)場總線的主要驅(qū)動(dòng)力。筆者認(rèn)為，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，工業(yè)以太網(wǎng)將會(huì)部分替代現(xiàn)場總線成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的主流，

第一，推動(dòng)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)對接已經(jīng)成為智能工廠實(shí)施的關(guān)鍵一步。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種效率更高、通用性更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，為推動(dòng)構(gòu)建互連互通，以及具有更好互操作性的透明一體化工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提供動(dòng)力。

第二，現(xiàn)場總線由于缺乏對諸如語音、圖像等新數(shù)據(jù)類型的支撐能力，使得現(xiàn)場總線技術(shù)無法滿足日益智能化的工業(yè)應(yīng)用需求。工業(yè)以太網(wǎng)本身就是基于TCP/IP協(xié)議，在帶寬、數(shù)據(jù)類型支持以及非機(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)的通信方面有著現(xiàn)場總線無法匹敵的優(yōu)勢。

第三，普遍認(rèn)為，由于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸采用CSMA/CD 碰撞檢測方式， 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)不能滿足工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。但是隨著更快的光纖正在逐步替代線纜，網(wǎng)絡(luò)帶寬的大幅提升能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。同時(shí)，工業(yè)廠商也通過在以太網(wǎng)中加入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來提升以太網(wǎng)對工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸能力。

第四，為保證工業(yè)以太網(wǎng)在震動(dòng)、灰塵、潮濕等惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠穩(wěn)定運(yùn)行，工業(yè)設(shè)備廠商正在為此專門開發(fā)和生產(chǎn)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)din導(dǎo)軌上并有冗余電源供電。為提高網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可以采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

總結(jié)

盡管目前工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場總線的替代，但筆者認(rèn)為，現(xiàn)在談工業(yè)以太網(wǎng)全面替代現(xiàn)場總線的為時(shí)尚早。工業(yè)以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性、可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有所進(jìn)展，但對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，以及更為底層的傳感器、嵌入式設(shè)備的互通互聯(lián)還存在一定的困難，有待進(jìn)一步研究和解決。在未來一段時(shí)間內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域仍然將是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線并存發(fā)展。但從最終目標(biāo)看，工業(yè)以太網(wǎng)替代現(xiàn)場總線的進(jìn)程將無可避免。