以太网协议正成为机器自动化应用的主流？
发布时间：2017-02-25 来源：控制工程网
在20世纪后期的几十年中，当现场总线技术出现的时候，相对于点到点的接线方式，其优势受到了欢迎，而且从那时起它就在工业领域运行得很好。有许多种现场总线协议，不过这些都支持连接传感器、输入/输出（I/O）设备，以及其他用于自动化系统的现场设备。
对于当今的工业网络，工业以太网和与之竞争的协议相比具有更吸引人的选项，因为其性能通常可以达到或超过现在的现场总线技术。安装以太网网络一般来说具有比其他协议费用更少、更容易配置的特点。
在早些年的时候，有一些基本的开放通讯串口标准，例如RS232和RS422/485。包括这些在内的那些标准是诸如Modbus标准的基础，Modbus使用串口通讯标准作为基础进而成为工业领域协议的主导。
以太网当时还不太成熟，而现场总线协议在许多应用领域提供足够的性能和可靠性。不过，现场总线技术通常很贵并且安装困难，而且不同的协议在硬件和软件方面都不兼容。
许多最初实施的现场总线都是用来将远程I/O和可编程逻辑控制器（PLC）相连。许多通讯标准都是基于RS422/485标准的，不过在转移到独立基金会下和开放之前，绝大多数都是专属的协议。例如，DeviceNet、Modbus以及Profibus DP最初都是专有协议，分别属于罗克韦尔自动化、施耐德电气以及西门子公司。现在，每一个协议最终都变成由一家独立基金会管理的开放标准。
今天，有好几种可选的现场总线可以用来将PLC和远程I/O，以及其他例如电机启动器、传感器和气动阀歧管等这样简单的设备连接起来。
图1：在工业自动化系统中广泛使用的以太网帮助工业用户实现了各种各样的连接。图片来源：AutomationDirect
现有的现场总线协议选项
根据市场研究机构IMS的研究结果，工业以太网在连接设备方面的增长已经超过了现场总线，并且在未来的15年内会成为更加主流的技术。有些现场总线网络已经有了非常庞大的客户群，那是因为在以太网成熟之前，它们是唯一的可选项。许多应用场合仍然受益于例如DeviceNet和Profibus DP这些高度确定性架构的现场总线网络。有了这些协议，使用安装在现场的I/O模块可以很方便地增加设备。
另一个现场总线协议是IO-Link， 是一个通常通过一个转换器（请见图2）将现场设备和控制器捆绑在一起的点到点的网络。一些更新的设备可以提供过程数据、配置数据、识别信息、运行参数以及诊断信息。通过智能地诊断故障设备，及时地传输诊断信息，可以减少机器的停机时间，或者在某些情况下，通过提供即将出现的故障信息来避免设备停机。
图2：IO-Link通常使用转换装置将现场设备和控制器连在一起，例如这种复合光纤。
尽管IO-Link和低端的现场总线协议在连接简单设备与控制器方面工作良好，但当需要更复杂的连接时，以太网协议能够提供的供电、速度和灵活性方面的特点就成为了优势。
工业以太网协议可以在许多要求高频度信息交换的新型机器自动化应用中作为现场总线通讯的替代方案，例如将一个视觉系统与PLC连接。随着硬件成本下降，对于那些简单的应用场合来说将更加划算，例如远程I/O和现场总线设备连接。
以太网技术的进化
许多人仍然认为工业以太网是和现场总线不同的事物，不过如果想一下传统的现场总线技术在过去完成了哪些事情以及今天的以太网可以做什么，就会发现它们实际上是一回事。现场总线技术往往以具有高度确定性数据传输的特性自居，而通过提高速度和低水平时间同步手段，以太网可以做相同的事情。可以通过许多现场总线电缆为设备供电，同样可以通过以太网供电实现。在采用适合的工业以太网协议的应用场合中，很少有工作不正常的。
早期的以太网网络，确定性不好而且时基误差很明显，这会导致处理速度减慢。使用那些例如简单的以太网集线器之类的不太智能的网络设备，导致数据冲突和重试经常发生。随着性价比高的工业以太网、非管理型交换机以及管理型交换机的出现，数据冲突已经变得不再是问题了。现在的以太网处理能力增强了，而且在绝大多数应用场合的数据传输延迟水平方面都显著地降低了。
即便是使用标准的、现成的以太网芯片，由于使用了诸如在EtherNet/IP中的一级I/O信息传送的时序安排机制，对于大多数应用场合来说时基误差也都足够低了。对于那些对时序要求更加严格的应用来说，诸如EtherCAT的协议使用精确时间协议同步（IEEE1588）。
图3：种类丰富的各种PLC和其他控制器都支持EtherNet/IP。
大多数的以太网网络采用星型拓扑结构，其中以太网交换机或多个交换机构成其中心，而其他设备构成分支，许多包括交换机端口的设备都采用多个RJ-45接口，这是让菊链式连接更加经济有效。
工业通讯协议的选择
与其他通讯技术不同，以太网允许在同一个网络上运行多个协议。一些主流的以太网协议包括EtherCAT，EtherNet/IP，Modbus TCP，Powerlink，Profinet以及SERCOS。自动化供应商通常会建议用户对适合应用情况的以太网协议的选择，不同的供应商倾向于不同的协议。
大部分供应商倾向于一种特定的以太网协议，不过他们又经常不仅限于一种。使用供应商建议的协议一般更有好处，因为这样会获得最好的支持以及最大范围的可兼容的产品。如果一个应用场合要求使用两个不同的供应商，而且对于两种协议都有可选的控制器和现场设备，时序和速度的要求通常成为决定因素。
应用场合会决定使用哪种现场总线技术。在许多应用中，使用多种协议可能更加合理，将每种协议应用在最合适的水平上。使用混合的协议和通讯架构将现场设备与控制器连接、将控制器与人机界面（HMI）连接、以及将HMI与更高级别的计算系统连接通常是正确的选择。要想实现这些，挑选支持多种协议的控制器很有必要。
IO-Link或一种类似的协议经常被用来连接多个现场设备和控制器，因为相比使用硬接线将每一个现场设备和控制器输入点连接起来的方式，这会更加经济有效。有了IO-Link，EtherNet/IP网关的一个IO-Link连接到现场设备，再通过EtherNet/IP返回到控制器的情况很常见。
网关的作用是作为多路转换器将多个IO-Link现场设备连接起来，并通过一条EtherNet/IP电缆使得控制器可以读取现场设备上的信息。尽管IO-Link支持的传感器与IO-Link主机设备之间的距离相对来说比较短，可是它可以连接各种网关和相关的协议，以此扩展其连接到控制器的能力。
对于大型的生产制造和仓库传送带应用场合，控制器与现场设备之间的长距离可以通过使用位于EtherNet/IP网络中的网关来实现。使用很常见的管理型和非管理型交换机也有助于以太网连接的分布。
对于控制器之间的连接，或者控制器与HMI之间的连接，一些以太网的变种是比较好的选项；硬件的支持会决定选择什么协议。
以太网在高一些级别的连接方面占主导地位，对于控制器与远程I/O以及现场设备之间的这些低一些级别的连接方面，可以通过IO-Link、DeviceNet、Profibus DP、或以太网的一些变种来实现。
随着以太网硬件的成本下降以及功能持续扩展，特别是具备了更高的速度和更强的确定性，工程师应该期待它会在工业通讯领域应用得越来越广泛。（作者：Chris Harris）