一文讀懂現(xiàn)場總線和工業(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，通過各類通訊方式接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，來采集海量數(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)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。

　　認(rèn)識現(xiàn)場總線

　　回顧現(xiàn)場總線的發(fā)展史可知，現(xiàn)場總線大致出現(xiàn)在上個世紀(jì)80年代末到90年代初期，這個時期隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，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），人們希望通過綜合掌握多點的運行參數(shù)與信息，進而實現(xiàn)多點信息的操作控制。但是這個時候的計算機系統(tǒng)存在系統(tǒng)封閉的缺陷，各個廠家的產(chǎn)品都是自成體系，不同廠商之間的設(shè)備不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，想實現(xiàn)更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于當(dāng)時技術(shù)的局限性，存在很多困難。

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

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

　　初學(xué)者可以從兩方面來認(rèn)識現(xiàn)場總線：第一，根據(jù)工廠自動化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)（工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設(shè)備級），可知現(xiàn)場總線位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)機構(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)場總線技術(shù)的好處，在于可以實現(xiàn)工廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取。

典型的車間自動化架構(gòu)（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

　　第二，現(xiàn)場總線是基于ISO／OSI的七層模型，并且可以少于七層。需要指出的是，實際應(yīng)用中，ISO模型只是一個參考，不同種類的現(xiàn)場總線協(xié)議棧有較大區(qū)別，通常會將ISO／OSI的七層模型簡化，以實現(xiàn)更低的通信延遲、更快的速度、更有利于實現(xiàn)現(xiàn)場總線的實時特性。

ISO／OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

　　備注：開放系統(tǒng)互連參考模型 （Open System Interconnect 簡稱OSI）是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電報電話咨詢委員會（CCITT）聯(lián)合制定的開放系統(tǒng)互連參考模型，為開放式互連信息系統(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、會話層、表示層和應(yīng)用層。

　　走進工業(yè)以太網(wǎng)

　　鑒于現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)還是基于多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的妥協(xié)，而多標(biāo)準(zhǔn)某種意義上講，就是無標(biāo)準(zhǔn)。人們開始尋求新的工業(yè)通訊出路，這時候以太網(wǎng)技術(shù)映入人們的眼簾。以太網(wǎng)技術(shù)因其技術(shù)簡單、開放性好、價格低廉等特點，在辦公和商務(wù)上的市場占有率非常高。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)是計算機局域網(wǎng)中最常見的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，最初是為辦公自動化的應(yīng)用而設(shè)計，并沒有考慮到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需求，例如高溫、低溫、防塵燈問題，所以以太網(wǎng)不能直接用于工業(yè)現(xiàn)場。智庫百科認(rèn)為，工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動化控制及過程控制中應(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)場總線中的一種，就如同現(xiàn)場總線的各種協(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)勢在于：可以滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，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)容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成，速度快，開發(fā)技術(shù)廣泛，硬件升級范圍廣，價格低廉，容易獲得眾多廠商的支持。

工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

　　但是以太網(wǎng)是一種隨機網(wǎng)絡(luò)，具有通信不確定性的特點，這使得工業(yè)以太網(wǎng)一度被打上“難以勝任高速實時性數(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)的通信確定性和實時性的問題，并取得了一些成就。目前比較有影響力的實時工業(yè)以太網(wǎng)有：西門子的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。

　　總得來講，工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)通信經(jīng)歷了從現(xiàn)場總線到工業(yè)以太網(wǎng)，再到實時工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展過程。根據(jù)瑞典網(wǎng)絡(luò)專家HMS公司的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在2016年間，現(xiàn)場總線的安全節(jié)點數(shù)量占整個市場的48％，相比2015年的58％市場占比有較大的下降，而工業(yè)以太網(wǎng)的市場占比則從38％上升為46％。行業(yè)分析人士稱，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等戰(zhàn)略的發(fā)展推動了越來越多的工業(yè)設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通，不過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信市場依舊呈現(xiàn)碎片化。