在網(wǎng)絡(luò)的各個層上，隨著自動化和控制工程師需要與網(wǎng)絡(luò)打交道的機會越來越多，聯(lián)網(wǎng)的愿望和需要也正在逐漸高漲。而且，以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)正在尋找自己的方式，以適用于工廠應(yīng)用，并且隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和改進，原始設(shè)備生產(chǎn)商（OEM）提供了具有更高頻率的產(chǎn)品。以太網(wǎng)有可能簡化到一個層（線路和連接器），正如很多以太網(wǎng)協(xié)議一樣，雖然服務(wù)于各種各樣的工業(yè)需要，但使用的卻是同一個網(wǎng)絡(luò)。 　　 在監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，大多數(shù)工程師已經(jīng)將以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）和工廠診斷、測試以及維護，當(dāng)使用以太網(wǎng)或工業(yè)以太網(wǎng)時，他們經(jīng)常選擇TCP/IP和EtherNet/IP協(xié)議。工程師和其他部門的人員（包括IT部門）合作，共同完成一個系統(tǒng)。這些結(jié)論來自于近期Control Engineering和Reed Research Group對Control Engineering訂閱者進行的調(diào)查，調(diào)查涉及工廠和原始設(shè)備生產(chǎn)商（OEM）對以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的當(dāng)前使用情況以及未來使用計劃。 [align=center] 圖1：工廠中以太網(wǎng)協(xié)議的用途各種各樣，主要的應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 （SCADA）、診斷、檢測和維護[/align] Patterns of use 　　 對263名定購、推薦和/或購買以太網(wǎng)協(xié)議和以太網(wǎng)產(chǎn)品的客戶進行郵件和網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，19%以上的人既將其應(yīng)用于工廠又用來滿足OEM要求，51%的人只用于工廠內(nèi)，30%以上的人只用來滿足OEM要求。 　　 三分之一的被調(diào)查者還沒有組建或使用網(wǎng)絡(luò)跨職能團隊。然而，對于那些具有跨職能團隊的，通常60%的人員是工程師。包含在跨職能團隊中的其他部門的有30%來自于IT部門，28%來自于工廠工程維護部門，20%來自于生產(chǎn)和工廠管理部門。 　　 受調(diào)查者被訊問了他們是如何使用或者計劃如何使用工業(yè)以太網(wǎng)。比較普遍的回答是用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）（63%）和診斷、測試和維護（49%）。同樣在應(yīng)用領(lǐng)域列表前列的還有連續(xù)處理和批量加工（37%），其中連續(xù)處理獨自占（32%），運動控制和自動設(shè)備占（32%），機器控制CNC設(shè)備占（31%），物流設(shè)備占（31%）。見所有以太網(wǎng)協(xié)議使用情況附圖。 [align=center] 圖2：以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用最普遍的場合是監(jiān)控或者數(shù)據(jù)采集，和控制層面上[/align] 當(dāng)問及用戶將如何或計劃如何使用以太網(wǎng)協(xié)議的時候，大多數(shù)人（88%）回答說用于監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，84%的人用于控制領(lǐng)域，63%的人用于I/O數(shù)據(jù)傳輸，60%的人用于生產(chǎn)運營。同時提及的是企業(yè)級應(yīng)用和傳感器應(yīng)用。（詳細資料見附圖） 　　 已經(jīng)投運的和計劃中的以太網(wǎng)連接包括：網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備（79%）、PLC硬件設(shè)備（78%）和PC機（77%）。對于那79%的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，有84%現(xiàn)在已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，16%計劃在12個月內(nèi)聯(lián)網(wǎng)；對于PLC硬件設(shè)備，有80%現(xiàn)在已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，20%計劃在12個月內(nèi)聯(lián)網(wǎng)；對于PC機，有88%現(xiàn)在已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，12%準(zhǔn)備聯(lián)網(wǎng)。其他的應(yīng)用還包括I/O產(chǎn)品和系統(tǒng)（67%）、可編程自動化控制器（PACs 56%）、變頻器（49%）和分布/混合式控制系統(tǒng)（39%）。 　　 選擇一個協(xié)議 　　 受訪者選擇不同的以太網(wǎng)協(xié)議進行工業(yè)應(yīng)用，本次調(diào)查也對受訪者進行了相關(guān)調(diào)查。在10個以太網(wǎng)協(xié)議中，TCP/IP協(xié)議和EtherNet/IP協(xié)議高踞排行榜前列，73%的受訪者表示會在這兩種協(xié)議中選擇使用，選擇Modbus TCP協(xié)議的受訪者也很多，幾乎達到了半數(shù)（47%）。 　　 在其余的協(xié)議中，23.6%的受訪者選擇UDP協(xié)議，Profinet協(xié)議、高速以太網(wǎng)協(xié)議（HSE）分別達到20%。使用率在10%附近或低于10%的協(xié)議有：達到11.4%的SERCOS Ⅲ、達到10.6%的EtherCAT、達到8%的Ethernet Powerlink和達到4%的FL-net（OPCN-2），其他的選擇稍高于7%。（在文章結(jié)尾處有各種協(xié)議的百分比圖） 　　 很多的受訪者（88%）已經(jīng)在工廠中采用了工業(yè)以太網(wǎng)，而且?guī)缀跛械娜耍?9%）對它感到滿意或非常滿意。大約1/3的受訪者在2-5年前開始使用工業(yè)以太網(wǎng)，大約1/4的受訪者在6-10年前就開始使用工業(yè)以太網(wǎng)了。14%的受訪者已經(jīng)使用工業(yè)以太網(wǎng)超過10年。12%的受訪者準(zhǔn)備在工廠中采用工業(yè)以太網(wǎng)，并且都將在2年內(nèi)付諸實踐。 　　 需求最高的特性 　　 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，速度是工業(yè)以太網(wǎng)或者以太網(wǎng)協(xié)議的眾多特性中需求最高的。94%的受訪者陳述道他們需要高速的特性，其中95%認為高速重要、61%認為高速很重要。 　　 其他呼聲較高的特性包括：能與現(xiàn)有以太網(wǎng)設(shè)備接口的能力（86%）；具有10/100 Base T/TX以太網(wǎng)物理介質(zhì)（86%）；可購得使用該協(xié)議的設(shè)備（85%）。在這些特性中，幾乎所有（分別是99%、94%、98%）的受訪者都認可了這些特性的重要性。 　　 還有一些其他的特性，超過3/4的受訪者提及了他們的重要性，包括可升級性（79%）、是否可用于控制類應(yīng)用（79%）、安全性（79%）、協(xié)議是否可以容納大量設(shè)備同時使用（78%）、將數(shù)據(jù)傳送至上級系統(tǒng)的便捷性（77%）、是否具有在線培訓(xùn)（77%）、分布的體系結(jié)構(gòu)（76%）、具有無線傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)（76%）、是否可以用于監(jiān)控類應(yīng)用（76%）。 　　 受訪者也對以太網(wǎng)協(xié)議的特性需求上反映了一些其他的重要信息。60%的受訪者說他們熟知哪一種協(xié)議需要搭配哪一種特性，超過1/4（27%）的受訪者說他們對此知識豐富或者說他們是此方面的專家。超過半數(shù)（58%）的工業(yè)以太網(wǎng)的安裝都是由控制工程師、工廠工程師或操作工程師完成的，有21%的工作是由第三方集成商完成的，7%的安裝工作由顧問完成。 　　 TCP/IP：不是專業(yè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，卻在工業(yè)應(yīng)用中占了主導(dǎo)地位 TCP協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位，有73%的受訪者正在使用或準(zhǔn)備使用TCP協(xié)議。它是最古老的協(xié)議，用最基本的Webopedia形式定義為“用來連接Internet上主機的通訊協(xié)議簇”和“網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實質(zhì)上的標(biāo)準(zhǔn)”。Wikipedia描述說這個協(xié)議簇是“層的集合。通過使用下層提供的服務(wù)，每一層都可以解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)問題并為上層協(xié)議提供明確的服務(wù)”。 　　 互聯(lián)網(wǎng)工程工作小組（IETF）認為TCP/IP協(xié)議同樣是一個占主導(dǎo)地位的協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)工程工作小組是一個由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者、操作者、供應(yīng)商和研究人員組成的團體，他們?yōu)榱薎nternet體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和Internet的正常運行而努力?；ヂ?lián)網(wǎng)工程工作小組定期更新協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法，他們可以使互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行。IETF的TCP維護和輔助擴展工作組（TCPM WG）繼續(xù)進行維護（漏洞修補）、用來保證TCP功能的協(xié)議和算法的適當(dāng)改動、發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)版本、建立TCP路標(biāo)。這個小組還說將著手解決偽裝代碼段所帶來的連接中斷、數(shù)據(jù)沖突或性能上的問題。IETF中與TCP有關(guān)的小組正在對很多論題廣泛征求意見，其中還包括TCP的強壯性。 IETF [align=center] 圖3：Ethernet/IP 的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，和其他CIP 網(wǎng)絡(luò)一樣，遵循開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）[/align] Ethernet/IP和DeviceNet同屬于CIP家族 　　 73%的受訪者表示他們正在使用或者計劃使用EtherNet/IP協(xié)議。EtherNet/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議家族的一員，它的上層運行著通用工業(yè)協(xié)議。CIP協(xié)議是生產(chǎn)自動化領(lǐng)域內(nèi)信息和服務(wù)的一簇復(fù)雜集合，它包括控制、安全、同步、動作、設(shè)置和信息。據(jù)稱它是介質(zhì)無關(guān)的，全世界上百家供應(yīng)商都提供了對此協(xié)議的支持。CIP協(xié)議統(tǒng)一了制造性企業(yè)的通訊體系結(jié)構(gòu)，并為生產(chǎn)自動化提供了諸多優(yōu)勢：通過一個網(wǎng)絡(luò)或者使用一個網(wǎng)絡(luò)作為多重分布式CIP網(wǎng)絡(luò)的中樞，生產(chǎn)者-消費者服務(wù)模式使用戶能夠?qū)崟r控制、設(shè)置并從智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。它和標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議兼容，和如同OPC的用于數(shù)據(jù)獲取和交換的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議也兼容。與IEEE Ethernet標(biāo)準(zhǔn)的兼容，滿足了Ethernet網(wǎng)搭建經(jīng)濟上的考慮，為網(wǎng)絡(luò)接口速度和靈活的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)提供了多樣的選擇，包括銅、光纖、環(huán)狀光纖和無線。它也對工業(yè)級儀表提供了多樣的選擇，使其能夠?qū)P67等級的連接器（M12達到RJ45）與模組、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示燈合并，加之設(shè)備本身的標(biāo)示，方便了用戶的使用。 　　 ODVA [align=center] 圖4：Modbus是通用的、可升級的、普及的網(wǎng)絡(luò)物理媒介（Ethernet） 與通用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（TCP/IP）和廠商中立的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的結(jié)合[/align] Modbus/TCP廣泛應(yīng)用 　　 48.5%的受訪者正在使用或計劃使用Modbus/TCP協(xié)議。Modbus在1979年時被引入，它是通用的、可升級的、普及的網(wǎng)絡(luò)物理媒介（Ethernet）與通用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（TCP/IP）和廠商中立的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的結(jié)合。Ethernet 502端口被分配給Modbus TCP/IP協(xié)議。Modbus是介質(zhì)無關(guān)的，在Ethernet上通常使用光纖和主流的無線技術(shù)（Wi/Fi、無線電、GPRS和藍牙）。它為數(shù)據(jù)的交換提供了一個開放的可存取的網(wǎng)絡(luò)平臺，只要是支持TCP/IP套接字的設(shè)備都可以使用。從技術(shù)上講，Modbus TCP/IP使用了Modbus指令集，并在外圍使用了TCP/IP協(xié)議進行封裝。只要有Modbus驅(qū)動，并對Ethernet和TCP/IP套接字有所理解，用戶就可以在幾個小時內(nèi)使用最少的硬件將一臺設(shè)備連線并于PC進行通訊。使用Modbus或者Modbus TCP/IP協(xié)議是無需付費的，說明書也可以免費從Modbus-IDA的網(wǎng)站下載www.modbus.org，安裝指導(dǎo)也可以從此網(wǎng)站上下載，網(wǎng)站還為使用者和開發(fā)人員提供了一個可以自由討論的動態(tài)板塊。使用者可以向多個供應(yīng)商尋求支持?！　? Modbus-IDA UDP：事務(wù)導(dǎo)向的協(xié)議 　　 接近四分之一（23.6%）的受訪者正在使用或者計劃使用UDP?；ヂ?lián)網(wǎng)工程工作小組（IETF）說UDP（用戶數(shù)據(jù)報表協(xié)議）使互聯(lián)的分組交換式計算機可以以報表的模式進行通訊。UDP將Internet協(xié)議（IP）作為最基本的協(xié)議，為應(yīng)用程序之間的信息交換提供一個方法，這個方法使用了最少的協(xié)議機制。此協(xié)議是事務(wù)導(dǎo)向的，因此并不保證傳輸和復(fù)制的安全性。如果應(yīng)用案例要求進行數(shù)據(jù)流的有序、可靠的傳輸，那么應(yīng)該使用傳輸控制協(xié)議（TCP）。UDP模塊必須能夠從網(wǎng)絡(luò)地址中得到源地址和目標(biāo)地址，并能從Internet報頭中得到協(xié)議域。一個UDP/IP接口應(yīng)該能夠根據(jù)指示，返回完整的Internet數(shù)據(jù)報，其中包括Internet報頭。這個接口同樣可以將一個帶有報頭的完整的Internet數(shù)據(jù)報發(fā)送到目的IP地址。此IP會對某些域進行一致性校驗，并計算Internet報頭的校驗和。數(shù)據(jù)報擁塞控制協(xié)議（DCCP）是一個由IETF秘書處維護的官方章節(jié)。 IETF [align=center] 圖5：HSE適合作為控制中樞，可以支持現(xiàn)場總線的很多特性， 包括復(fù)雜邏輯功能和數(shù)據(jù)密集型過程設(shè)備[/align] 高速Ethernet是一條中樞 　　 20%的受訪者正在使用或者準(zhǔn)備使用高速以太網(wǎng)（HSE）?，F(xiàn)場總線基金會描述說，高速以太網(wǎng)（HSE）是關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用場合的核心企業(yè)級集成技術(shù)。HSE是現(xiàn)場總線基金會的高性能網(wǎng)絡(luò)，其上運行著Ethernet和TCP/IP協(xié)議，是工廠控制中樞的理想選擇。以100Mbit/s的速率運行，這個技術(shù)是為了設(shè)備和系統(tǒng)集成而設(shè)計的，具有數(shù)據(jù)服務(wù)器集成技術(shù)，例如OPC基金會。它支持現(xiàn)場總線的各種特性，包括標(biāo)準(zhǔn)功能模塊、電子設(shè)備描述語言（EDDL）以及用于先進過程和離散/混合/批量特定應(yīng)用的柔性功能塊（FFBs）。HSE支持數(shù)據(jù)密集型過程設(shè)備的復(fù)雜邏輯功能，并且能夠達到企業(yè)優(yōu)化的無縫信息整合。HSE是一個國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61158），它使來自不同供應(yīng)商的控制器和網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠協(xié)同工作。HSE設(shè)備中的柔性功能塊（FFBs）可以用例如IEC 61131-3中的編程語言進行描述。HSE技術(shù)的設(shè)計從底層開始，一直到用于關(guān)鍵任務(wù)監(jiān)控和控制的容錯網(wǎng)絡(luò)以及容錯設(shè)備。這個小組說道，HSE網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的全部或者一部分可以作為備援，以達到特定應(yīng)用場合所要求的容錯等級。HSE是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備和配線協(xié)議。 Fieldbus Foundation [align=center] 圖6：Profinet 的特點之一是吸收了其他的現(xiàn)場總線，例如DeviceNet、基金 會現(xiàn)場總線和Modbus。[/align] 全能的Profinet協(xié)議 　　 Profinet的特點之一是吸收了其他的現(xiàn)場總線，例如DeviceNet、基金會現(xiàn)場總線和Modbus。 　　 大約20%的受訪者正在使用或者計劃使用Profinet。Profinet據(jù)Profibus行業(yè)組織（PTO）稱是“全能的工業(yè)以太網(wǎng)”，因為它幾乎可以用于所有的自動化應(yīng)用：離散的、流程、動作、對等網(wǎng)絡(luò)集成、垂直整合、安全和其他應(yīng)用。因為Profinet使用標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3以太網(wǎng)，它工作于IEEE802.11無線以太網(wǎng)，支持對無系留設(shè)備的控制，例如自動導(dǎo)航車輛?，F(xiàn)有的帶有Profisafe的無線設(shè)備據(jù)稱能為兩種技術(shù)提供動力。在動作控制應(yīng)用中，Profinet可以在1ms內(nèi)完成對150個軸的運動控制，而時間誤差只有1ms，這使其可以用于要求苛刻的領(lǐng)域，如印刷行業(yè)。Profinet據(jù)稱是唯一一種工業(yè)以太網(wǎng)——定義了工廠資產(chǎn)管理和制造執(zhí)行系統(tǒng)要求的其他信息之間的通訊。據(jù)稱，它通過將現(xiàn)有的Profibus和其他現(xiàn)場總線無縫整合，來保護用戶在現(xiàn)有工廠中設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)上的投資。除了能和Ethernet、TCP/IP、XML和OPC等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，Profinet還是一個受PI組織支持的開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Profibus International組織（PI）是最老的也是最大的現(xiàn)場總線組織。PI同樣支持現(xiàn)場總線節(jié)點安裝的基礎(chǔ)——Profibus。 Profibus Trade Organization [align=center] 圖7：使用 SERCOS III 的基于FPGA 的控制器[/align] SERCOS III精于動作控制 　　 略多于11%的受訪者正在使用或者計劃使用SERCOS III協(xié)議。SERCOS（串行實時通訊系）III工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議雖然減弱了之前版本對伺服、運動路徑、循環(huán)和非循環(huán)通訊和同步機制的中樞能力，但卻給原始的數(shù)字動作控制工業(yè)網(wǎng)絡(luò)增加了新的特性。新版本支持現(xiàn)有軟件驅(qū)動的便捷移植。與早期版本相比，SERCOS III通過使用以太網(wǎng)物理層而不是交換機或者集線器、使用低成本的FPGA通訊控制器、使用Cat5e光纜等方法來減少成本。他支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（100 Mbit/sec，SERCOS II只有16 Mbit/sec），減少最小周期（31.25ms，SERCOS II只有61.5ms），支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)框架。新特性包括多重運動控制的同步和通訊；環(huán)和線上伺服設(shè)備的交叉通訊；具有用于容錯的硬件備援，以防通訊環(huán)的中斷；正在運行的連接和節(jié)點的熱移除；用于驅(qū)動集成安全功能的安全通訊；縮短了的周期時間。非實時標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)框架可以并行轉(zhuǎn)換到實時通道?？刂破鲗刂破鳎–2C）同步和通訊協(xié)議用來連接使用SERCOS III的動作控制器。