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工業(yè)底層設備的兩種通訊方式：現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網

2021/07/07
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在工業(yè)4.0時代，各種通信技術的蓬勃發(fā)展為企業(yè)實現(xiàn)智能化和自動化帶來了諸多可能。尤其是在工業(yè)互聯(lián)網的技術構架中，需要通過車間現(xiàn)場各類通訊方式接入不同設備、系統(tǒng)和產品，采集并上傳海量數(shù)據(jù)。目前，在工控領域，車間現(xiàn)場應用最廣泛的是工業(yè)以太網技術和工業(yè)現(xiàn)場總線技術，為工廠實現(xiàn)自動化帶來有力推動。本文將介紹工業(yè)底層設備的兩種通訊方式：現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網。

一、現(xiàn)場總線
1.現(xiàn)場總線的概念

現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線，是自動化領域中底層數(shù)據(jù)通信網絡，連接最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備以及自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場總線以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸，并遵循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。開放系統(tǒng)互連參考模型（Open System Interconnect 簡稱OSI）是國際標準化組織（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)提供了一種功能結構的框架。它從低到高分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

我們可以這樣理解現(xiàn)場總線：

第一，根據(jù)工廠自動化信息網絡分層結構（工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級），可知現(xiàn)場總線位于生產控制和網絡機構底層，是工廠底層設備之間的通信網絡。工廠底層應用現(xiàn)場總線技術的好處，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。

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。
2.現(xiàn)場總線的技術特點與應用

現(xiàn)場總線大致出現(xiàn)在上個世紀80年代末到90年代初期，當時，隨著生產規(guī)模的日益擴大，工廠的設備有了互聯(lián)的需求（此階段的互聯(lián)需求主要定位于遠程的I/O數(shù)據(jù)傳輸，以及產線內部不同設備的數(shù)據(jù)交換）。企業(yè)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。但受制于當時的技術水平，計算機系統(tǒng)存在系統(tǒng)封閉的缺陷，各個廠家的產品都是自成體系，不同廠商之間的設備不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，想實現(xiàn)更大范圍信息共享的網絡系統(tǒng)還存在很多困難。

隨著相關技術的不斷發(fā)展，并結合各種應用場景的實際需求，涌現(xiàn)出了許多有代表性的現(xiàn)場總線技術，例如基金會現(xiàn)場總線FF、LONWORKS現(xiàn)場總線、HAPT現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、Devicenet現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、INTERBUS現(xiàn)場總線、WorldFIP現(xiàn)場總線、CC－Link現(xiàn)場總線等。這些現(xiàn)場總線各具特點，并擁有各自特定的應用范圍。但由于種類繁多，通訊協(xié)議也千差萬別，所以至今現(xiàn)場總線的標準也未能統(tǒng)一，最終形成了一個多種現(xiàn)場總線的IEC61158的現(xiàn)場總線標準。
二、工業(yè)以太網
1.工業(yè)以太網的概念

由于現(xiàn)場總線的標準化制定存在一定的難度，人們開始尋求新的工業(yè)通訊出路，這時候以太網技術出現(xiàn)在人們的視野。以太網最早出現(xiàn)于1970年代，之后按照IEEE 802.3實施了標準化，現(xiàn)在是指符合IEEE 802.3標準的局域網(LAN)產品組。以太網技術因其技術簡單、開放性好、價格低廉等特點，在辦公和商務上的市場占有率非常高。

以太網最初是為辦公自動化的應用而設計，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需求，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，故在工業(yè)現(xiàn)場控制應用的是與商用以太網不同的工業(yè)以太網。一些廠商（例如施耐德提出了適用于工業(yè)現(xiàn)場的基于以太網+TCP/IP的解決方案）提出了將以太網技術引入工廠設備底層，工業(yè)以太網也就隨之產生了。
工業(yè)以太網是指在工業(yè)環(huán)境的自動化控制及過程控制中應用以太網的相關組件及技術，并采用TCP/IP協(xié)議，和IEEE 802.3標準兼容，在應用層會加入各自特有協(xié)議的通信技術。
2.工業(yè)以太網的技術特點與應用

工業(yè)以太網最大的優(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)的信息網絡和控制網絡能夠實現(xiàn)統(tǒng)一，網絡集成相對容易，速度快，開發(fā)技術廣泛，硬件升級范圍廣，價格低廉，容易獲得眾多廠商的支持。具體表現(xiàn)在：

（1）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網絡，遵照網絡協(xié)議不同廠商的設備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。

（2）以太網能實現(xiàn)工業(yè)控制網絡與企業(yè)信息網絡的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網絡。

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網技術已經非常成熟，支持以太網的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶選擇。

（4）通信速率高，隨著企業(yè)應用場景的復雜化，10M、100M的快速以太網開始廣泛應用，千兆以太網技術也逐漸成熟，10G以太網也正在研究，其速率比現(xiàn)場總線快很多。
近年，工業(yè)以太網的市場份額已經超過了傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線協(xié)議，后者通常需要多個獨立和專有的布線設施。正如以太網適合于信息管理、信息處理系統(tǒng)一樣，工業(yè)以太網在工廠管理、車間監(jiān)控等信息集成領域也應用廣泛。

?圖2.工業(yè)以太網結構圖（圖片來源網絡）

目前比較有影響力的實時工業(yè)以太網有：西門子的PROFINET、橫河Yokogawa的VNET/IP、倍福的EtherCAT、東芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus-IDA、貝加萊的Powerlink、浙大中控的EPA等。

來源：控制工程網

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