工業以太網正在成為現場總線技術的重要替代者

　　近幾年，隨著智能制造戰略的持續推進，中國制造企業開始重視對底層工業自動化系統的改造與升級，由此引發了是否有必要采用工業以太網替代現場總線技術的問題討論。目前較為普遍的觀點認為，隨著智能工廠的應用實踐的深入以及IT與OT的逐漸融合，打通上層業務管理系統與下層生產控制系統之間的數據交互是大勢所趨，這種內在的驅動力正在推動控制層和管理層構建統一的網絡通信標準，使得工業以太網正在成為現場總線技術的重要替代者。

　　IT與OT融合推動工業以太網快速發展

　　工業以太網是以太網技術和通用工業協議的結合，是標準以太網在工業領域的應用延伸。近年來，為滿足高實時性的工業應用需求，各大工業自動化公司和標準化組織紛紛提出了各種工業以太網實時性的技術標準，這些方案建立在IEEE802.3標準基礎上，通過對相關標準的擴展以提高實時性，并做到與標準以太網的無縫對接。

　　目前，被廣泛應用的工業以太網標準主要包括以下6個類型：

　　(1)MODBUSTCP/IP

　　施耐德電氣將以工業以太網為基礎的協同自動化解決方案作為發展戰略。MODBUS的系統可以很容易地升級到MODBUSTCP/IP。而用戶并不需要對原有系統重新投資。在使

　　用MODBUS的串行連接方式，如RS485的情況下，可以提供相應的產品，非常容易地從現有的MODBUS系統更新或升級到MODBUSTCP/IP上。如果是使用了其他的網絡，也可以應用相應的gateway(網關)使其集成或升級到以太網系統里。

　　(2)Ethernet/IP

　　Ethernet/IP是一個面向工業自動化應用的工業應用層協議，是主推ControlNet現場總線的羅克韋爾自動化公司為以太網進入自動化領域所研究創造的以太網工業協議。它建立在標準UDP/IP與TCP/IP協議之上，利用固定的以太網硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業自動化設備定義了一個應用層協議。Ethernet/IP協議由IEEE802.3物理層、數據鏈路層標準協議和控制與信息協議CIP等3個部分組成。

　　(3)EthernetPOWERLINK

　　EthernetPOWERLINK是一項在標準以太網介質上解決工業控制及數據采集領域數據傳輸實時性的技術。EthernetPOWERLINK擁有Ethernet的高速、開放性接口，以及CANopen在工業領域良好的SDO和PDO數據定義，在某種意義上說POWERLINK就是Ethernet上的CANopen，物理層、數據鏈路層使用了Ethernet介質，而應用層則保留了原有的SDO和PDO對象字典的結構。

　　(4)PROFInet

　　PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。PROFINET囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并作為跨供應商的技術完全兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，保護現有投資。

　　(5)SERCOSIII

　　Sercos(SerialRealTimeCommunicationSystem，串行實時通信系統)已在工廠自動化應用（適合機械工程和建筑）領域風靡了25年。SercosIII是第三代協議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協議可將Sercos接口的實時數據交換與以太網相融合。SERCOSIII是SERCOS成熟的通信機制和工業以太網相結合的產物，它既具有SERCOS的實時特性，又具有以太網的特性。

　　(6)EtherCAT

　　EtherCAT最初由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協議(SIL3)。

　　根據從站設備的實現方式，可將工業以太網分為三個類型：

　　第一類：采用通用硬件和標準TCP/IP協議。Modbus/TCP、PROFInet/CbA、Ethernet/IP均采用這種方式。使用標準TCP/IP協議和通用以太網控制器，所有的實時數據（如過程數據）和非實時數據（如參數配置數據）均通過TCP/IP協議傳輸。其優點是成本低廉，實現方便，完全兼容標準以太網。在具體實現中某些產品可能通過更改或優化TCP/IP協議以獲得更好的性能，但實時性始終受到底層結構的限制。

　　第二類：采用通用硬件和定義實時數據傳輸協議。EthernetPowerlink、PROFInet/RT采用這種方式。采用通用以太網控制器但不使用TCP/IP協議來傳輸實時數據，而是定義了一種專用的包含實時層的實時數據傳輸協議，用來傳輸對實時性要求很高的數據，TCP/IP協議棧可能依然存在，用來傳輸非實時數據，但是其對以太網的讀取受到實時層的限制，以提高實時性能。這種結構的優點是實時性較強，硬件與通用以太網兼容。

　　第三類：采用專用硬件和自定義實時數據傳輸協議。EtherCAT、PROFInet/IRT、SERCOS-III采用這種方式。這種方式在第二類的基礎上使用專有以太網控制器以進一步優化性能。其優點是實時性強，缺點是成本較高，需使用專有協議芯片、交換機等。

　　工業以太網替代現場總線的驅動力

　　隨著智能工廠的推進與實施，企業對構建統一的工業通信網絡有著十分迫切的應用需求。但由于目前工業現場總線標準種類繁多且互不兼容，不同標準的控制器之間不能實現數據傳輸，網絡通信協議的不一致使得自動化信息孤島廣泛存在，這對企業構建互聯互通、虛實融合的智能工廠造成了不可逾越的障礙。同時這成為推動工業以太網替代現場總線的主要驅動力。筆者認為，隨著工業以太網技術的逐漸成熟，工業以太網將會部分替代現場總線成為工業控制網絡通信的主流，

　　第一，推動業務管理系統與工業自動化系統之間的數據對接已經成為智能工廠實施的關鍵一步。工業以太網作為一種效率更高、通用性更強的網絡通信標準，為推動構建互連互通，以及具有更好互操作性的透明一體化工業控制網絡提供動力。

　　第二，現場總線由于缺乏對諸如語音、圖像等新數據類型的支撐能力，使得現場總線技術無法滿足日益智能化的工業應用需求。工業以太網本身就是基于TCP/IP協議，在帶寬、數據類型支持以及非機構化數據的通信方面有著現場總線無法匹敵的優勢。

　　第三，普遍認為，由于以太網的數據傳輸采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網絡負荷較大時不能滿足工業數據傳輸的實時性要求。但是隨著更快的光纖正在逐步替代線纜，網絡帶寬的大幅提升能提高數據傳輸的實時性。同時，工業廠商也通過在以太網中加入實時數據傳輸協議來提升以太網對工業數據的實時傳輸能力。

　　第四，為保證工業以太網在震動、灰塵、潮濕等惡劣工業環境下可靠穩定運行，工業設備廠商正在為此專門開發和生產工業以太網交換機等產品，安裝在標準din導軌上并有冗余電源供電。為提高網絡抗干擾能力，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可以采用冗余網絡技術。

　　總結

　　盡管目前工業以太網已經呈現出快速發展趨勢，在工業控制網絡中已經部分實現對現場總線的替代，但筆者認為，現在談工業以太網全面替代現場總線的為時尚早。工業以太網在實時性、可靠性和抵抗惡劣環境等方面有所進展，但對工業現場的數據采集，以及更為底層的傳感器、嵌入式設備的互通互聯還存在一定的困難，有待進一步研究和解決。在未來一段時間內工業控制網絡領域仍然將是工業以太網和現場總線并存發展。但從最終目標看，工業以太網替代現場總線的進程將無可避免。