工业以太网替代现场总线的发展驱动力
发布时间：2018-02-03 www.cechina.cn
近几年，随着智能制造战略的持续推进，中国制造企业开始重视对底层工业自动化系统的改造与升级，由此引发了是否有必要采用工业以太网替代现场总线技术的问题讨论。目前较为普遍的观点认为，随着智能工厂的应用实践的深入以及IT与OT的逐渐融合，打通上层业务管理系统与下层生产控制系统之间的数据交互是大势所趋，这种内在的驱动力正在推动控制层和管理层构建统一的网络通信标准，使得工业以太网正在成为现场总线技术的重要替代者。
IT与OT融合推动工业以太网快速发展
工业以太网是以太网技术和通用工业协议的结合，是标准以太网在工业领域的应用延伸。近年来，为满足高实时性的工业应用需求，各大工业自动化公司和标准化组织纷纷提出了各种工业以太网实时性的技术标准，这些方案建立在IEEE802.3标准基础上，通过对相关标准的扩展以提高实时性，并做到与标准以太网的无缝对接。
目前，被广泛应用的工业以太网标准主要包括以下6个类型：
(1) MODBUS TCP/IP
施耐德电气将以工业以太网为基础的协同自动化解决方案作为发展战略。MODBUS的系统可以很容易地升级到MODBUS TCP/IP 。而用户并不需要对原有系统重新投资。在使
用MOD BUS 的串行连接方式， 如RS485 的情况下， 可以提供相应的产品， 非常容易地从现有的MODBUS 系统更新或升级到MODBUS TCP/IP 上。如果是使用了其他的网络， 也可以应用相应的gateway( 网关) 使其集成或升级到以太网系统里。
(2) Ethernet/IP
Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议，是主推ControlNet 现场总线的罗克韦尔自动化公司为以太网进入自动化领域所研究创造的以太网工业协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。Ethernet/IP协议由IEEE 802.3物理层、数据链路层标准协议和控制与信息协议CIP等3个部分组成。
(3) Ethernet POWERLINK
Ethernet POWERLINK 是一项在标准以太网介质上解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的技术。EthernetPOWERLINK 拥有Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO 和PDO 数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO 和PDO对象字典的结构。
(4) PROFInet
PROFINET由PROFIBUS国际组织推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。PROFINET囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并作为跨供应商的技术完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。
(5) SERCOS III
Sercos( Serial Real Time Communication System，串行实时通信系统)已在工厂自动化应用（适合机械工程和建筑）领域风靡了25年。Sercos III是第三代协议，制定于2003年。这种具有高效性和确定性的通信协议可将Sercos接口的实时数据交换与以太网相融合。SERCO S III是SERCOS成熟的通信机制和工业以太网相结合的产物，它既具有 SERCOS的实时特性，又具有以太网的特性。
(6) EtherCAT
EtherCAT最初由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。
根据从站设备的实现方式，可将工业以太网分为三个类型：
第一类：采用通用硬件和标准TCP/IP 协议。Modbus/TCP、PROFInet/CbA、Ethernet/IP均采用这种方式。使用标准TCP/IP 协议和通用以太网控制器，所有的实时数据（如过程数据）和非实时数据（如参数配置数据）均通过TCP/IP协议传输。其优点是成本低廉， 实现方便，完全兼容标准以太网。在具体实现中某些产品可能通过更改或优化TCP/IP 协议以获得更好的性能，但实时性始终受到底层结构的限制。
图 1 采用通用硬件和标准TCP/IP协议
第二类：采用通用硬件和定义实时数据传输协议。Ethernet Powerlink、PROFInet/RT采用这种方式。采用通用以太网控制器但不使用TCP/IP 协议来传输实时数据，而是定义了一种专用的包含实时层的实时数据传输协议，用来传输对实时性要求很高的数据，TCP/IP 协议栈可能依然存在，用来传输非实时数据，但是其对以太网的读取受到实时层的限制，以提高实时性能。这种结构的优点是实时性较强，硬件与通用以太网兼容。
图 2 采用通用硬件和定义实时数据传输协议
第三类：采用专用硬件和自定义实时数据传输协议。EtherCAT、PROFInet/IRT、SERCOS-III采用这种方式。这种方式在第二类的基础上使用专有以太网控制器以进一步优化性能。其优点是实时性强，缺点是成本较高，需使用专有协议芯片、交换机等。
图 3 采用专用硬件和自定义实时数据传输协议
工业以太网替代现场总线的驱动力
随着智能工厂的推进与实施，企业对构建统一的工业通信网络有着十分迫切的应用需求。但由于目前工业现场总线标准种类繁多且互不兼容， 不同标准的控制器之间不能实现数据传输， 网络通信协议的不一致使得自动化信息孤岛广泛存在，这对企业构建互联互通、虚实融合的智能工厂造成了不可逾越的障碍。同时这成为推动工业以太网替代现场总线的主要驱动力。笔者认为，随着工业以太网技术的逐渐成熟，工业以太网将会部分替代现场总线成为工业控制网络通信的主流，
第一，推动业务管理系统与工业自动化系统之间的数据对接已经成为智能工厂实施的关键一步。工业以太网作为一种效率更高、通用性更强的网络通信标准，为推动构建互连互通，以及具有更好互操作性的透明一体化工业控制网络提供动力。
第二，现场总线由于缺乏对诸如语音、图像等新数据类型的支撑能力，使得现场总线技术无法满足日益智能化的工业应用需求。工业以太网本身就是基于TCP/IP协议，在带宽、数据类型支持以及非机构化数据的通信方面有着现场总线无法匹敌的优势。
第三，普遍认为，由于以太网的数据传输采用CSMA/CD 碰撞检测方式， 网络负荷较大时不能满足工业数据传输的实时性要求。但是随着更快的光纤正在逐步替代线缆，网络带宽的大幅提升能提高数据传输的实时性。同时，工业厂商也通过在以太网中加入实时数据传输协议来提升以太网对工业数据的实时传输能力。
第四，为保证工业以太网在震动、灰尘、潮湿等恶劣工业环境下可靠稳定运行，工业设备厂商正在为此专门开发和生产工业以太网交换机等产品，安装在标准din导轨上并有冗余电源供电。为提高网络抗干扰能力，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可以采用冗余网络技术。
总结
尽管目前工业以太网已经呈现出快速发展趋势，在工业控制网络中已经部分实现对现场总线的替代，但笔者认为，现在谈工业以太网全面替代现场总线的为时尚早。工业以太网在实时性、可靠性和抵抗恶劣环境等方面有所进展，但对工业现场的数据采集，以及更为底层的传感器、嵌入式设备的互通互联还存在一定的困难，有待进一步研究和解决。在未来一段时间内工业控制网络领域仍然将是工业以太网和现场总线并存发展。但从最终目标看，工业以太网替代现场总线的进程将无可避免。