用戶對(duì)更廣泛的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力的要求促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的發(fā)展。
數(shù)字時(shí)代來(lái)臨了！僅僅過(guò)了那么幾十年，控制工程師們就開(kāi)始用數(shù)字協(xié)議來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的4-20mA模擬控制系統(tǒng)協(xié)議了。數(shù)字信號(hào)控制的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的——確定性、接線簡(jiǎn)化、速度更快、以及可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試或故障檢查的能力，等等。這些優(yōu)點(diǎn)讓數(shù)字控制的起步一帆風(fēng)順，控制工程師們也開(kāi)始著手盡快將其標(biāo)準(zhǔn)化。而應(yīng)其需要，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議也隨之進(jìn)化成符合數(shù)字控制要求的工具，并已適用于多種應(yīng)用環(huán)境。
根據(jù)5年前Reed Corporate Research的一項(xiàng)控制產(chǎn)品研究調(diào)查，使用4-20mA標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品當(dāng)時(shí)仍然占主導(dǎo)地位。但現(xiàn)在情況已發(fā)生了變化。在最近的一次調(diào)查中，有295個(gè)人回答了關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的在線提問(wèn)。由于以太網(wǎng)能有效地促進(jìn)公司內(nèi)部聯(lián)系，因此無(wú)怪乎53%的受訪者表示工程項(xiàng)目最需要工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)人員，之后依次為IT信息技術(shù)人員（34%）、現(xiàn)場(chǎng)工程師（23%）、生產(chǎn)管理者（22%）以及處于第三梯隊(duì)的用戶/技術(shù)支持（8%）和測(cè)試工程師（8%）等。
網(wǎng)絡(luò)的使用
控制工程師們將以太網(wǎng)運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)領(lǐng)域（請(qǐng)見(jiàn)左圖）。圖上的數(shù)據(jù)顯示與2006年進(jìn)行的一次調(diào)查基本吻合，只有一個(gè)明顯的區(qū)別：用于商業(yè)管理的以太網(wǎng)最近幾年來(lái)已經(jīng)快速普及開(kāi)來(lái)，日常生產(chǎn)的各級(jí)管理層間的信息互享已成為全球經(jīng)濟(jì)中跨國(guó)運(yùn)作的基礎(chǔ)條件和標(biāo)志之一。
以太網(wǎng)協(xié)議用戶主要分布在以下應(yīng)用領(lǐng)域：監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集（78%）、控制（68%）、制造層的運(yùn)營(yíng)或執(zhí)行（63%）、企業(yè)層的運(yùn)營(yíng)（58%），以及較低端的I/O（48%）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（37%）和傳感器（24%）。在控制系統(tǒng)領(lǐng)域，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的使用主要集中于邏輯控制方面（PC 89%、PLC 79%、可編程自動(dòng)化控制器 66%），此外還有傳感器方面（視覺(jué)系統(tǒng) 37%、溫度傳感器/轉(zhuǎn)換器 18%、流量傳感器/轉(zhuǎn)換器 17%）以及傳動(dòng)裝置（例如開(kāi)關(guān)閥 18%和控制閥 14%）。
根據(jù)回復(fù)的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）顯然是以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中
最常用和重要的一項(xiàng)，比排名第二的診斷、測(cè)試和維護(hù)多出接近一半的選票。
最常用的協(xié)議
根據(jù)調(diào)查反饋，最常用的十大工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議依次是：
■ TCP/IP (本國(guó)內(nèi))—95%
■ EtherNet/IP—88%
■ Modbus TCP—81%
■ UDP (本國(guó)內(nèi))—79%
■ Fieldbus Foundation High Speed Internet (HSE)—43%
■ EtherCAT—41%
■ SERCOS III—38%
■ Profibus Profinet—36%
■ CC-Link IE (Gigabit Ethernet)—31%
■ Ethernet Powerlink—27%
其他的協(xié)議包括VARAN（通用自動(dòng)化隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)）、Japan Electrical Manufacturers Association的FL-net (OPCN-2)、synqNet、Mechatrolink III，以及SafetyNet。請(qǐng)參閱本文后的包括十大協(xié)議在內(nèi)的產(chǎn)品目錄。
所有這些協(xié)議都是符合標(biāo)準(zhǔn)的，大部分出自于各大公司之手。這一點(diǎn)在下圖所示的理想的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議所應(yīng)具有的特征清單中表現(xiàn)得相當(dāng)明顯。
在被問(wèn)及的34個(gè)特征選項(xiàng)中，高速能力（66%）被列為最為重要的特征。緊隨其后的依次是設(shè)備的可用性（65%）、可升級(jí)性（60%）、可使用商業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)貨的能力（60%），以及用于自動(dòng)化控制應(yīng)用的能力（60%）。
受訪者選擇的“非常重要”的特征中，前七項(xiàng)的數(shù)量非常接近，第七項(xiàng)僅比第一項(xiàng)少7個(gè)百分點(diǎn)。
這前五項(xiàng)的排名情況與2006年的調(diào)查結(jié)果基本一致，只有一項(xiàng)例外：采用10/100 base的T/TX以太網(wǎng)介質(zhì)的重要性由第五降到了第十；而取代它位置的則是數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒?jí)系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性。這一變化說(shuō)明以太網(wǎng)協(xié)議正在向更廣泛也更復(fù)雜的企業(yè)級(jí)系統(tǒng)中滲透。
調(diào)查結(jié)果顯示，92%的受訪人已經(jīng)在工廠級(jí)系統(tǒng)上開(kāi)始使用以太網(wǎng)。而剩余的8%雖然還沒(méi)開(kāi)始，但也已經(jīng)在計(jì)劃中了。在這一部分的受訪者中，有59%表示將在來(lái)年啟動(dòng)計(jì)劃，其余的41%也都表示將在13-24個(gè)月內(nèi)正式開(kāi)始動(dòng)作。
而使用以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)對(duì)我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)不能算稀罕玩意了。在控制行業(yè)的受訪者中有17%表示已經(jīng)使用這類(lèi)系統(tǒng)10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間了，其中很多可能不是獨(dú)立的系統(tǒng)，而是其使用的DCS為主的控制系統(tǒng)的一部分。DCS，眾所周知，在使用以太網(wǎng)方面，已經(jīng)有了很長(zhǎng)一段歷史了。而使用了6-10年的受訪者占總數(shù)的29%；2-5年的占34%；兩年的占12%；而一年的為8%。
盡管以太網(wǎng)控制協(xié)議的可選種類(lèi)還很有限，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試也較為復(fù)雜，但控制業(yè)內(nèi)人士仍舊表示，比起其他任何常用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，他們更青睞于以太網(wǎng)架構(gòu)。63%的人選擇了非常滿意，36%選擇了一定程度上的滿意，而只有1%的人對(duì)其感到失望。
當(dāng)被詢問(wèn)到對(duì)安裝以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)建議時(shí)，控制工程師們都不約而同地提到了自己學(xué)習(xí)接受培訓(xùn)的努力經(jīng)歷。文字建議例如“先好好做好功課”、“先自己好好了解下實(shí)時(shí)以太網(wǎng)”，以及“花點(diǎn)時(shí)間徹底弄懂所有的適用選擇”之類(lèi)不勝枚舉。但是對(duì)于擁有99%滿意度的工業(yè)以太網(wǎng)控制協(xié)議來(lái)說(shuō)，所有花費(fèi)在介紹、推薦、購(gòu)買(mǎi)和安裝這個(gè)系統(tǒng)上的時(shí)間都是值得的。
EtherNet/IP：制造業(yè)
EtherNet/IP是采用Common Industrial Protocol (CIP)作為其上層通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)家族的一員。CIP將一組消息和服務(wù)用于制造業(yè)的自動(dòng)化應(yīng)用，包括控制、安全性、同步、動(dòng)作、配置和信息。它采用介質(zhì)獨(dú)立接口，由數(shù)百家供應(yīng)商支持著，并統(tǒng)一了整個(gè)制造業(yè)的通信方式。其生產(chǎn)者-消費(fèi)者服務(wù)模式讓用戶可以同時(shí)進(jìn)行控制、配置和采集智能在線設(shè)備上的數(shù)據(jù)，或者將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)作為分布各處的CIP網(wǎng)絡(luò)的主線進(jìn)行工作。同時(shí)，它也能與標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議兼容，例如用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腛PC等。
TCP/IP：迷失了目標(biāo)？
最早的以太網(wǎng)協(xié)議TCP/IP是由Internet Engineering Task Force (IETF)提出并推廣的，最初是為商業(yè)用途的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，目前已經(jīng)成為最普遍的用于工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸協(xié)議之一。以太網(wǎng)TCP/IP是一個(gè)通信協(xié)議包，主要用于連接互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)，并已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸實(shí)質(zhì)上的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 Internet Engineering Task Force
Modbus TCP：建立在標(biāo)準(zhǔn)以上
Modbus TCP協(xié)議是一個(gè)1979年就已進(jìn)入市場(chǎng)的消息結(jié)構(gòu)協(xié)議，主要用于建立主-從/客戶-服務(wù)器系統(tǒng)與智能設(shè)備之間的通信。作為一種簡(jiǎn)單的消息結(jié)構(gòu)，Modbus獨(dú)立于基礎(chǔ)的物理層。它將一個(gè)通用的、可擴(kuò)展的、普遍使用的物理網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）與一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（TCP/IP），以及一個(gè)供應(yīng)商中立的數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式結(jié)合起來(lái)。以太網(wǎng)接口502是Modbus TCP協(xié)議的制定接口。Modbus TCP能工作在以太網(wǎng)、光纖或其他主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如Wi/Fi、無(wú)線電、GPRS，以及藍(lán)牙的環(huán)境下，其協(xié)議包含了TCP/IP本身。
UDP：事務(wù)優(yōu)先
用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）能在一個(gè)交互連接的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里使用帶有自尋址數(shù)據(jù)包的封包交換計(jì)算機(jī)通信模式。UDP的基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），它為應(yīng)用程序軟件通過(guò)最簡(jiǎn)單的協(xié)議途徑將信息傳送到其他程序提供了支持。該協(xié)議是面向事務(wù)的協(xié)議，無(wú)法保證發(fā)送和復(fù)制的安全性。
HSE：全廠控制
高速以太網(wǎng)（HSE）被稱(chēng)作是一項(xiàng)關(guān)鍵性的企業(yè)整合技術(shù)，尤其是在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用上。它是FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的高性能網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)架構(gòu)和TCP/IP協(xié)議，最適合用于工廠的控制主網(wǎng)。HSE采用了100 Mbit/s的傳輸速率，同樣適用于設(shè)備和子系統(tǒng)的集成，和數(shù)據(jù)服務(wù)器技術(shù)例如OPC的集成，支持現(xiàn)場(chǎng)總線的所有功能，包括標(biāo)準(zhǔn)功能塊、電子設(shè)備表述語(yǔ)言EDDL，以及為高級(jí)過(guò)程和分布式/混合式/批控制使用的高度專(zhuān)業(yè)化的靈活的功能塊。
EtherCAT：快速，經(jīng)濟(jì)
EtherCAT是一種開(kāi)放式的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)，它可以通過(guò)雙絞線或者光纜在30ms內(nèi)上傳1000個(gè)分布式數(shù)字I/O點(diǎn)，或在100ms內(nèi)上傳100個(gè)創(chuàng)建軸對(duì)象的低層指令。EtherCAT不需要交換機(jī)或集線器，開(kāi)放的以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助它擁有幾乎無(wú)限的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力和垂直整合的優(yōu)化能力，并因此獲得了快速而又經(jīng)濟(jì)的實(shí)際效果。EtherCAT是一種符合IEC、ISO、SEMI的標(biāo)準(zhǔn)。
SERCOS III：動(dòng)作，I/O
SERCOS III是一種開(kāi)放式的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議——屬于IEC 61784-2 和IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的一部分。它能在較短的循環(huán)時(shí)間和較低的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)高精確度的控制，是早期SERCOS的升級(jí)版本，并可以不需要交換機(jī)或集線器獨(dú)立工作。新的功能包括同步、多動(dòng)作控制間的通信，以及一款強(qiáng)大的分散式I/O模塊管理軟件。
Profinet：兼容性
Profinet據(jù)稱(chēng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化工程中任何所需要的功能：離散控制、過(guò)程控制、動(dòng)作控制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)整合、垂直整合、安全保障，等等。它采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議，并同樣能工作在IEEE 802.11的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。它能在1ms內(nèi)完成對(duì)150個(gè)動(dòng)作指令的控制，同時(shí)只有1ms的抖動(dòng)。它被認(rèn)為是唯一適用于工廠資產(chǎn)管理和其他生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)相關(guān)信息的通信的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
CC-Link：全新的千兆以太網(wǎng)絡(luò)
CC-Link Partner Association (CPLA)開(kāi)發(fā)了一種千兆工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，CC-Link IE，可以將網(wǎng)絡(luò)通信的速度提高到接近底板傳輸?shù)乃俣?。它是全球第一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)、1gb/s的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，采用雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE 802.3z多模光纜構(gòu)建。CC-Link僅使用網(wǎng)絡(luò)自備內(nèi)存就能正常工作，不需要交換機(jī)或集線器的支持?！ thernet-Powerlink：更高的價(jià)值，更高的速度
Ethernet-Powerlink Standardization Group (EPSG)宣稱(chēng)他們的協(xié)議對(duì)機(jī)器操作者和工廠運(yùn)作者來(lái)說(shuō)，具有極高的使用價(jià)值，包括以下功能：安全性（T哣 Rheinland標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于要求SIL 3保護(hù)的系統(tǒng)）、冗余能力、與CANopen的兼容、用戶可對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥杂蛇M(jìn)行選擇、支持熱插拔、抗背景流量干擾的能力，以及方便的系統(tǒng)診斷能力。
FL-Net：連接工廠層
FL-net (OPCN-2)協(xié)議，是一款由日本Japan Electrical Manufacturers’ Association (JEMA)開(kāi)發(fā)的用于PLC與其他控制單元互相交換控制數(shù)據(jù)的高速以太網(wǎng)協(xié)議。它支持包括UDP/IP與FA link在內(nèi)眾多協(xié)議，作用于UDP/IP的上層網(wǎng)絡(luò)。
（轉(zhuǎn)載）
