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工业以太网大行其道，可以完全取代现场总线技术？说得有点太早了

2020-09-03

近年来，随着智能制造战略的不断推进，中国制造企业开始重视底层工业自动化系统的改造升级，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讨论。目前普遍认为，随着智能工厂应用实践的深入，以及IT与OT的逐步融合，打通上层业务管理系统与下层生产控制系统的数据交互是大势所趋。这种内在驱动力正在推动控制层和管理层建立统一的网络通信标准，使工业以太网成为现场总线技术的重要替代品。

 

IT与OT的融合促进工业以太网的快速发展

 

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，为了满足高实时性工业应用的需求，各大工业自动化公司和标准化组织提出了各种实时工业以太网技术标准。这些方案基于IEEE802.3标准，可以通过扩展相关标准来提高实时性，并实现与标准以太网的无缝连接。

 

目前，广泛使用的工业以太网标准主要包括以下六种类型：

 

1）MODBUS TCP/IP

 

施耐德电气将把基于工业以太网的协同自动化解决方案作为其发展战略。MODBUS系统可以很容易地升级到MODBUS TCP/IP。而且用户不需要对原有系统进行再投资。在MODBUS串行连接的情况下，如RS485，可以提供相应的产品，将现有的MODBUS系统更新或升级到MODBUS TCP/IP是非常容易的。如果使用其他网络，可以应用相应的网关将其集成或升级到以太网系统中。

 

2）Ethernet/IP

 

以太网/IP是用于工业自动化应用的工业应用层协议。它是罗克韦尔自动化公司为以太网进入自动化领域而创建的以太网工业协议，主要推广ControlNet现场总线。它基于标准的UDP/IP和TCP/IP协议，使用固定的以太网硬件和软件来定义用于配置、访问和控制工业自动化设备的应用层协议。以太网/IP协议由IEEE802.3物理层、数据链路层标准协议和控制与信息协议CIP组成。

 

3）Ethernet POWERLINK

 

Ethernet POWERLINK是一种在标准以太网介质上解决工业控制和数据采集领域实时数据传输的技术。Ethernet POWERLINK拥有以太网的高速和开放接口，以及CANopen在工业领域对SDO和PDO数据的良好定义。从某种意义上说，POWERLINK是以太网上的CANopen。物理层和数据链路层使用以太网介质，而应用层保持SDO和PDO对象字典的原始结构。

 

4）PROFInet

PROFINET是由PROFIBUS国际组织推出的基于工业以太网技术的新一代自动化总线标准。PROFINET涵盖了当前自动化领域的热点话题，如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全和网络安全等。作为一种跨厂商技术，ProFi Net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）SERCOSIII

 

SERCOS(串行实时通信系统)在工厂自动化领域(适用于机械工程和建筑)已经流行了25年。SercosIII是第三代协议，制定于2003年。这种高效且确定的通信协议可以将Sercos接口的实时数据交换与以太网集成在一起。SERCOSIII是SERCOS成熟的通信机制与工业以太网的结合。它既有SERCOS的实时特性，又有以太网的特性。

 

6）EtherCAT

 

EtherCAT最初是由德国北孚自动化有限公司开发的..EtherCAT为系统的实时性能和拓扑灵活性树立了新的标准，同时满足甚至降低了使用现场总线的成本。EtherCAT还具有高精度设备同步、可选电缆冗余和功能安全协议(SIL3)。

 

根据从设备的实现方式，工业以太网可以分为三种类型：

 

第一类：通用硬件和标准TCP/IP协议。Modbus/TCP、PROFInet/CbA、Ethernet/IP都采用这种方法。使用标准TCP/IP协议和通用以太网控制器，所有实时数据(如过程数据)和非实时数据(如参数组态数据)都通过TCP/IP协议传输。其优点是成本低，实现方便，与标准以太网完全兼容。在实际实现中，一些产品可能会改变或优化TCP/IP协议以获得更好的性能，但实时性能总是受到底层结构的限制。

 

第二类：采用通用硬件，定义实时数据传输协议。Ethernet Powerlink和PROFInet/RT都采用这种方法。用一个通用的以太网控制器传输实时数据，不使用TCP/IP协议，而是定义了一个专用的带实时层的实时数据传输协议来传输实时性要求高的数据。TCP/IP协议栈可能仍然存在，以传输非实时数据，但它对以太网的读取受到实时层的限制，以提高实时性能。这种架构的优点是实时性高，硬件与通用以太网兼容。

 

第三类：专用硬件和定制实时数据传输协议。以太网、PROFInet/IRT和SERCOS-III采用这种方法。这样在第二种的基础上使用专有的以太网控制器，进一步优化性能。其优点是实时性高，缺点是成本高，需要使用专有协议芯片和交换机。

 

工业以太网取代现场总线的驱动力

 

随着智能工厂的推广和实施，企业对构建统一的工业通信网络有着迫切的应用需求。然而，由于当前工业现场总线标准种类繁多、互不兼容，不同标准的控制器之间无法实现数据传输，网络通信协议的不一致使得自动化信息孤岛广泛存在，为企业建设互联互通、虚实融合的智能工厂造成了不可逾越的障碍。同时，这也成为工业以太网取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，工业以太网将部分取代现场总线，成为工业控制网络通信的主流。

 

首先，促进业务管理系统和工业自动化系统之间的数据连接已经成为实施智能工厂的关键步骤。工业以太网作为一种更高效、更通用的网络通信标准，为构建透明、集成的工业控制网络提供了动力，具有更好的互操作性和互连性。

 

其次，由于缺乏对语音、图像等新数据类型的支持，现场总线技术无法满足日益智能化的工业应用需求。工业以太网本身基于TCP/IP协议，在带宽、数据类型支持、非结构化数据的通信等方面具有现场总线无法比拟的优势。

 

第三，一般认为以太网数据传输采用CSMA/CD碰撞检测模式，在网络负载较重时，无法满足工业数据传输的实时性要求。然而，随着更快的光纤逐渐取代电缆，网络带宽的大幅增加可以提高数据传输的实时性能。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高工业数据的实时传输能力。

 

第四，为了保证工业以太网在振动、灰尘、湿度等恶劣的工业环境中可靠稳定的运行。工业设备制造商正在开发和生产工业以太网交换机等产品，这些产品安装在标准din导轨上，并配备冗余电源。为了提高网络的抗干扰能力，主干网可以采用光纤传输，现场设备的连接可以采用屏蔽双绞线，重要网段也可以采用冗余网络技术。

 

总结

 

虽然目前工业以太网已经呈现出快速发展的趋势，并且在工业控制网络中已经部分取代了现场总线，但是笔者认为现在谈论工业以太网全面取代现场总线还为时过早。工业以太网在实时性、可靠性和抗恶劣环境方面有所进步，但在工业现场的数据采集，以及底层传感器和嵌入式设备的互联等方面还存在一定的困难，需要进一步研究和解决。未来工业控制网络领域仍将是工业以太网和现场总线并存。但从最终目标来看，工业以太网取代现场总线的过程将不可避免。

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